Ne trezim în neutrini. Sunt printre cele mai ușoare dintre cele două duzini de particule subatomice sau atât de cunoscute și provin din toate direcțiile: de la Big Bang-ul care a început universul, de la stele care explodează și, mai ales, de la soare. Ei vin direct pe pământ cu aproape viteza luminii, tot timpul, ziua și noaptea, în număr enorm. Aproximativ 100 de trilioane de neutrini trec prin corpul nostru în fiecare secundă.
Continut Asemanator
- Deschiderea portalurilor ciudate în fizică
Problema fizicienilor este că neutrinii sunt imposibil de văzut și dificil de detectat. Orice instrument conceput pentru a face acest lucru se poate simți solid la atingere, dar pentru neutrini, chiar și oțelul inoxidabil este în mare parte spațiu gol, la fel de deschis ca un sistem solar este pentru o cometă. Mai mult decât atât, neutrinii, spre deosebire de majoritatea particulelor subatomice, nu au nicio sarcină electrică - sunt neutre, de unde și numele - deci oamenii de știință nu pot folosi forțe electrice sau magnetice pentru a le captura. Fizicienii le numesc „particule fantomă”.
Pentru a surprinde aceste entități evazive, fizicienii au efectuat câteva experimente extraordinar de ambițioase. Pentru ca neutrinii să nu fie confundați cu razele cosmice (particule subatomice din spațiul exterior care nu pătrund pe pământ), detectoarele sunt instalate în subteran. Cele enorme au fost amplasate în mine de aur și nichel, în tuneluri sub munți, în ocean și în gheața Antarctică. Aceste dispozitive ciudat de frumoase sunt monumente ale hotărârii omenirii de a afla despre univers.
Nu este clar ce aplicații practice vor proveni din studierea neutrinilor. „Nu știm unde va duce”, spune Boris Kayser, fizician teoretic la Fermilab din Batavia, Illinois.
Fizicienii studiază neutronii în parte, deoarece neutrinii sunt astfel de personaje ciudate: par să încalce regulile care descriu natura în cea mai fundamentală. Și dacă fizicienii își vor îndeplini vreodată speranțele de a dezvolta o teorie coerentă a realității care explică elementele de bază ale naturii fără excepție, vor trebui să țină cont de comportamentul neutrinilor.
În plus, neutrinii intrigă oamenii de știință, deoarece particulele sunt mesageri de la nivelul exterior al universului, create prin explozie violentă a galaxiilor și a altor fenomene misterioase. „Neutrinii s-ar putea să ne spună lucruri pe care particulele mai umede nu le pot”, spune Kayser.
Fizicienii și-au imaginat neutrinii cu mult înainte să găsească vreunul. În 1930, au creat conceptul pentru a echilibra o ecuație care nu se adăuga. Când nucleul unui atom radioactiv se dezintegrează, energia particulelor pe care le emite trebuie să fie egală cu energia pe care a conținut-o inițial. Dar, de fapt, au observat oamenii de știință, nucleul pierde mai multă energie decât detectoarele. Deci, pentru a ține cont de acea energie suplimentară, fizicianul Wolfgang Pauli a conceput o particulă în plus, invizibilă, emisă de nucleu. "Am făcut ceva foarte rău astăzi propunând o particulă care nu poate fi detectată", a scris Pauli în jurnalul său. „Este ceva pe care nici un teoretician nu ar trebui să-l facă vreodată.”
Experimentaliștii au început oricum să o caute. La un laborator de arme nucleare din Carolina de Sud, la mijlocul anilor '50, au amplasat două rezervoare mari de apă în afara unui reactor nuclear care, conform ecuațiilor lor, ar fi trebuit să facă zece trilioane de neutroși pe secundă. Detectorul era minuscul conform standardelor de astăzi, dar a reușit totuși să detecteze neutrini - trei pe oră. Oamenii de știință au stabilit că neutrino propus era de fapt real; studiul particulelor evazive accelerate.
Un deceniu mai târziu, câmpul s-a extins când un alt grup de fizicieni a instalat un detector în mina de aur Homestake, din Lead, South Dakota, la 4.850 de metri sub pământ. În acest experiment, oamenii de știință și-au propus să observe neutrinii monitorizând ce se întâmplă cu rareori ocazii când un neutrino se ciocnește cu un atom de clor și creează argon radioactiv, care poate fi detectat cu ușurință. La baza experimentului se afla un rezervor umplut cu 600 de tone de lichid bogat în clor, percloretilena, un fluid folosit în curățarea uscată. La fiecare câteva luni, oamenii de știință ar arunca rezervorul și ar extrage aproximativ 15 atomi de argon, dovada a 15 neutrini. Monitorizarea a continuat mai mult de 30 de ani.
În speranța de a detecta neutrinii în număr mai mare, oamenii de știință din Japonia au condus un experiment sub 3.300 de metri sub pământ într-o mină de zinc. Super-Kamiokande, sau Super-K, așa cum este cunoscut, a început să funcționeze în 1996. Detectorul este format din 50.000 de tone de apă într-un rezervor cu cupole ai cărui pereți sunt acoperiți cu 13.000 de senzori de lumină. Senzorii detectează ocazional blițul albastru (prea slab pentru a vedea ochii noștri), produs atunci când un neutrino se ciocnește cu un atom în apă și creează un electron. Și urmărind calea exactă pe care a călătorit-o electronul în apă, fizicienii ar putea deduce sursa, în spațiu, a neutrino-ului în coliziune. Cei mai mulți, au descoperit, proveneau de la soare. Măsurătorile au fost suficient de sensibile pentru ca Super-K să poată urmări calea soarelui pe cer și, de la aproape un kilometru sub suprafața pământului, ziua de veghe se transformă în noapte. „Este cu adevărat un lucru interesant”, spune Janet Conrad, fizician la Massachusetts Institute of Technology. Urmele de particule pot fi compilate pentru a crea „o imagine frumoasă, imaginea soarelui în neutrini.”
Dar experimentele Homestake și Super-K nu au detectat atât de mulți neutrini pe cât se așteptau fizicienii. Cercetările de la Observatorul Neutrino Sudbury (SNO, pronunțat „zăpadă”) au stabilit de ce. Instalat într-o mină de nichel adânc de 6.800 de metri în Ontario, SNO conține 1.100 de tone de "apă grea", care are o formă neobișnuită de hidrogen care reacționează relativ ușor cu neutrinii. Lichidul se află într-un rezervor suspendat în interiorul unei bile acrilice uriașe, care este ea însăși ținută în interiorul unei suprastructuri geodezice, care absoarbe vibrațiile și de care sunt atârnați 9.456 de senzori de lumină - întregul lucru arătând ca un ornament al pomului de Crăciun de 30 de metri.
Oamenii de știință care lucrează la SNO au descoperit în 2001 că un neutrino poate comuta în mod spontan între trei identități diferite - sau așa cum spun fizicienii, acesta oscilează între trei arome. Descoperirea a avut implicații uluitoare. În primul rând, a arătat că experimentele anterioare au detectat mult mai puțini neutrini decât se prevedea, deoarece instrumentele erau reglate la o singură aromă de neutrino - genul care creează un electron - și lipseau cele care comutau. Pentru altul, descoperirea fizicienilor a răsturnat credința că un neutrino, precum un foton, nu are nicio masă. (Oscilarea printre arome este ceva ce pot face doar particulele cu masă.)
Câtă masă au neutrinii? Pentru a afla, fizicienii construiesc KATRIN - Experimentul Karlsruhe Tritium Neutrino. Sfarsitul afacerii KATRIN se mandreste cu un dispozitiv de 200 de tone numit spectrometru care va masura masa atomilor inainte si dupa ce se descompun radioactiv - dezvaluind astfel cat de multa masa neutrino are. Tehnicienii au construit spectrometrul la aproximativ 250 de mile de Karlsruhe, Germania, unde va funcționa experimentul; dispozitivul era prea mare pentru drumurile înguste ale regiunii, așa că a fost pus pe o barcă pe fluviul Dunărea și a plutit pe lângă Viena, Budapesta și Belgrad, în Marea Neagră, prin Marea Egee și Mediterana, în jurul Spaniei, prin Canalul Mânecii, spre Rotterdam și în Rin, apoi spre sud până la portul fluviului Leopoldshafen, Germania. Acolo a fost descărcat pe un camion și trântit prin oraș până la destinație, două luni și 5.600 de mile mai târziu. Este programat să înceapă colectarea datelor în 2012.
Fizicienii și astronomii interesați de informațiile pe care neutrinii din spațiul exterior le-ar putea aduce supernovele sau galaxii de coliziune au creat „telescoape” neutrino. Unul, numit IceCube, se află în interiorul unui câmp de gheață din Antarctica. După finalizare, în 2011, va consta din peste 5.000 de senzori de lumină albastră (a se vedea diagrama de mai sus). Senzorii sunt orientați nu spre cer, așa cum vă așteptați, ci spre sol, pentru a detecta neutrinii de la soare și spațiul exterior care vin pe planetă din nord. Pământul blochează razele cosmice, dar majoritatea neutrinilor se potrivesc pe planeta lată de 8000 de mile, ca și cum nu ar fi fost acolo.
Un experiment pe distanțe lungi de neutrino are loc în mai multe state din Midwestern. Un accelerator de mare energie, care generează particule subatomice, trage fascicule de neutrino și particule conexe la o adâncime de șase mile, sub nordul Illinois, în Wisconsin și în Minnesota. Particulele pornesc de la Fermilab, ca parte a unui experiment numit Căutare principală de oscilație a neutrinilor prin injectoare (MINOS). În mai puțin de trei mii de secunde, au lovit un detector în mina de fier Soudan, aflată la 450 de mile distanță. Datele pe care le-au adunat oamenii de știință complică imaginea lor asupra acestei lumi infinitesimale: acum se pare că formele exotice ale neutrinilor, așa-numitele anti-neutrinoase, ar putea să nu urmeze aceleași reguli de oscilație ca și alți neutrini.
„Ce mișto”, spune Conrad, „nu este ceea ce ne așteptam”.
Când vine vorba de neutrini, foarte puțin este.
Cea mai recentă carte a lui Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, este despre Sloan Digital Sky Survey, un efort de a cartografia universul.
Majoritatea neutrinilor care ne bombardează provin de la soare, arătate aici într-o imagine ultravioletă. (NASA) 
Detectorul cavernos Super-Kamiokande din Japonia este aliniat cu 13.000 de senzori pentru a identifica semne de neutrino. Muncitorii dintr-o barcă monitorizează dispozitivul pe măsură ce se umple cu apă. (Observatorul Kamioka, ICRR (Institutul de Cercetări cu Ray Cosmic), Universitatea din Tokyo) 
Într-o serie de reacții la miezul soarelui, atomii de hidrogen creează heliu prin fuziune. Procesul eliberează energie și particule subatomice, inclusiv neutrinozi. Când un foton, sau o particulă de lumină, părăsește miezul dens al soarelui, acesta este prins în căldură și furie și este posibil să nu ajungă la noi de milioane de ani. Dar un neutrino solar este nedeterminat și ajunge pe pământ în opt minute. (Samuel Velasco / Infografie 5W) 
Observatorul canadian Sudbury Neutrino a confirmat că un neutrino își poate schimba identitatea. (SNO) 
Fizicienii de la Brookhaven National Laboratory din New York, arătați aici în detectorul STAR al laboratorului, speră să tragă un fascicul de neutrino în subteran către mina Homestake din Dakota de Sud. (BNL) 
Detectorul de neutrini MINOS din Minnesota este ținta fasciculelor de neutrini împușcați din Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
Spectrometrul KATRIN, care va măsura masa neutrinului, strecurat prin Leopoldshafen, Germania, se îndreaptă către un laborator. (Institutul de Tehnologie Karlsruhe) 
Detectorul de neutrino IceCube din Antarctica este încorporat în gheață. Cu 5.000 de senzori atașați la peste 70 de linii, IceCube va căuta neutrini care au trecut 8.000 de mile pe planetă. (Universitatea din Wisconsin-Madison) 
Un șir de senzori coboară într-o gaură adâncă de 8.000 de metri. (Jim Haugen / National Science Foundation)
