Είμαστε κατάπληκτοι στα νετρίνα. Είναι μεταξύ των ελαφρύτερων από τις δύο δωδεκάδες ή τόσο γνωστά υποατομικά σωματίδια και προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις: από τη Μεγάλη Έκρηξη που ξεκίνησε το σύμπαν, από εκρηκτικά αστέρια και, πάνω από όλα, από τον ήλιο. Έρχονται κατευθείαν στη γη με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, όλη την ώρα, μέρα και νύχτα, σε τεράστιους αριθμούς. Περίπου 100 τρισεκατομμύρια νετρίνα περνούν μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο.
σχετικό περιεχόμενο
- Άνοιγμα περίεργων πύλων στη φυσική
Το πρόβλημα για τους φυσικούς είναι ότι τα νετρίνα είναι αδύνατον να τα δουν και είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Κάθε όργανο που σχεδιάζεται για να το κάνει μπορεί να αισθάνεται σταθερό στην αφή, αλλά στα νετρίνα, ακόμη και ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι κυρίως κενός χώρος, τόσο ευρύς όσο ένα ηλιακό σύστημα είναι σε έναν κομήτη. Επιπλέον, τα νετρίνα, σε αντίθεση με τα περισσότερα υποατομικά σωματίδια, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο - είναι ουδέτερα, επομένως το όνομα - έτσι οι επιστήμονες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν ηλεκτρικές ή μαγνητικές δυνάμεις για να τις καταγράψουν. Οι φυσικοί λένε "σωματίδια φάντασμα".
Για να καταγράψουν αυτές τις φευγαλέες οντότητες, οι φυσικοί έχουν πραγματοποιήσει κάποια εξαιρετικά φιλόδοξα πειράματα. Έτσι ώστε τα νετρίνα να μην συγχέονται με τις κοσμικές ακτίνες (υποατομικά σωματίδια από το εξωτερικό χώρο που δεν διεισδύουν στη γη), οι ανιχνευτές εγκαθίστανται βαθιά υπόγεια. Μεγάλα έχουν τοποθετηθεί σε ορυχεία χρυσού και νικελίου, σε σήραγγες κάτω από βουνά, στον ωκεανό και στον πάγο της Ανταρκτικής. Αυτές οι παράξενα όμορφες συσκευές είναι μνημεία της ανθρώπινης θέλησης να μάθουν για το σύμπαν.
Δεν είναι σαφές ποιες πρακτικές εφαρμογές θα προέλθουν από τη μελέτη νετρίνων. "Δεν ξέρουμε πού θα οδηγήσει", λέει ο Μπόρις Κέισερ, θεωρητικός φυσικός στο Fermilab της Batavia, Illinois.
Οι φυσικοί μελετούν τα νετρίνα εν μέρει επειδή τα νετρίνα είναι τόσο περίεργοι χαρακτήρες: φαινομενικά παραβιάζουν τους κανόνες που περιγράφουν τη φύση στα πιο θεμελιώδη. Και αν οι φυσικοί θα εκπληρώσουν τις ελπίδες τους να αναπτύξουν μια συνεκτική θεωρία της πραγματικότητας που εξηγεί τα βασικά της φύσης χωρίς εξαίρεση, θα πρέπει να λογοδοτήσουν για τη συμπεριφορά των νετρίνων.
Επιπλέον, οι ουρτρινικοί επιστήμονες εντόπισαν επειδή τα σωματίδια είναι αγγελιοφόροι από τα εξωτερικά φρέατα του σύμπαντος, που δημιουργήθηκαν από βίαια εκρηγμένους γαλαξίες και άλλα μυστηριώδη φαινόμενα. "Ο Neutrinos μπορεί να μας πει τα πράγματα που δεν μπορούν να κάνουν τα πιο σωματίδια", λέει ο Kayser.
Οι φυσικοί φανταζόντουσαν νετρίνα πολύ πριν βρουν ποτέ. Το 1930, δημιούργησαν την ιδέα να εξισορροπηθεί μια εξίσωση που δεν συνειρμούσε. Όταν ο πυρήνας ενός ραδιενεργού ατόμου αποσυντίθεται, η ενέργεια των σωματιδίων που εκπέμπει πρέπει να ισούται με την ενέργεια που περιέχεται αρχικά. Αλλά στην πραγματικότητα, παρατηρούν οι επιστήμονες, ο πυρήνας έχασε περισσότερη ενέργεια από ό, τι ανιχνευτές σηκώνονταν. Έτσι, για να υπολογίσουμε την εν λόγω επιπλέον ενέργεια, ο φυσικός Wolfgang Pauli συνέλαβε ένα επιπλέον, αόρατο σωματίδιο που εκπέμπεται από τον πυρήνα. "Έχω κάνει κάτι πολύ κακό σήμερα προτείνοντας ένα σωματίδιο που δεν μπορεί να ανιχνευθεί", γράφει ο Pauli στην εφημερίδα του. "Είναι κάτι που κανένας θεωρητικός δεν θα πρέπει ποτέ να κάνει".
Οι πειραματιστές άρχισαν να το ψάχνουν ούτως ή άλλως. Σε ένα εργαστήριο πυρηνικών όπλων στη Νότια Καρολίνα στα μέσα της δεκαετίας του 1950, σταθμεύουν δύο μεγάλες δεξαμενές νερού έξω από πυρηνικό αντιδραστήρα, οι οποίες, σύμφωνα με τις εξισώσεις τους, θα έπρεπε να έχουν κάνει δέκα τρισεκατομμύρια νετρίνα ανά δευτερόλεπτο. Ο ανιχνευτής ήταν μικροσκοπικός με τα σημερινά πρότυπα, αλλά κατάφερε ακόμα να εντοπίσει νετρίνα-τρεις ώρες. Οι επιστήμονες είχαν διαπιστώσει ότι ο προτεινόμενος νετρίνο ήταν στην πραγματικότητα πραγματικός. η μελέτη του πεπερασμένου σωματιδίου επιταχύνθηκε.
Μια δεκαετία αργότερα, το πεδίο επεκτάθηκε όταν μια άλλη ομάδα φυσικών εγκατέστησε έναν ανιχνευτή στο χρυσό ορυχείο Homestake, στο Lead, Νότια Ντακότα, 4.850 μέτρα υπόγειο. Σε αυτό το πείραμα οι επιστήμονες θέλησαν να παρατηρήσουν τα νετρίνα παρακολουθώντας το τι συμβαίνει στη σπάνια περίπτωση όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα άτομο χλωρίου και δημιουργεί ραδιενεργό αργό, το οποίο είναι εύκολα ανιχνεύσιμο. Στον πυρήνα του πειράματος ήταν μια δεξαμενή γεμάτη με 600 τόνους πλούσιου σε χλώριο υγρού, υπερχλωροαιθυλένιο, ένα υγρό που χρησιμοποιείται για στεγνό καθάρισμα. Κάθε λίγους μήνες, οι επιστήμονες θα ξεπλύνουν τη δεξαμενή και θα εξαγάγουν περίπου 15 άτομα αργού, στοιχεία 15 νετρίνων. Η παρακολούθηση συνεχίστηκε για περισσότερα από 30 χρόνια.
Ελπίζοντας να εντοπίσουν νετρίνα σε μεγαλύτερους αριθμούς, επιστήμονες στην Ιαπωνία οδήγησαν ένα πείραμα 3.300 ποδιών υπόγειο σε ένα ορυχείο ψευδαργύρου. Το Super-Kamiokande ή το Super-K, όπως είναι γνωστό, άρχισε να λειτουργεί το 1996. Ο ανιχνευτής αποτελείται από 50.000 τόνους νερού σε θολωτή δεξαμενή των οποίων οι τοίχοι καλύπτονται με 13.000 αισθητήρες φωτός. Οι αισθητήρες ανιχνεύουν το περιστασιακό μπλε φλας (πολύ εξασθενημένο για να δούμε τα μάτια μας) που γίνονται όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα άτομο στο νερό και δημιουργεί ένα ηλεκτρόνιο. Και με τον εντοπισμό του ακριβούς μονοπατιού το ηλεκτρόνιο ταξίδεψε στο νερό, οι φυσικοί μπορούσαν να συμπεράνουν την πηγή, στο διάστημα, του συγκρουόμενου νετρίτινου. Οι περισσότεροι, βρήκαν, προήλθαν από τον ήλιο. Οι μετρήσεις ήταν αρκετά ευαίσθητες ώστε το Super-K μπορούσε να εντοπίσει το μονοπάτι του ήλιου στον ουρανό και, από σχεδόν ένα μίλι κάτω από την επιφάνεια της γης, να παρακολουθήσουν την ημέρα να μετατραπεί σε νύχτα. "Είναι πραγματικά ένα συναρπαστικό πράγμα", λέει η Janet Conrad, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Τα κομμάτια σωματιδίων μπορούν να δημιουργηθούν για να δημιουργήσουν μια "όμορφη εικόνα, την εικόνα του ήλιου στα νετρίνα".
Αλλά τα πειράματα Homestake και Super-K δεν ανίχνευαν τόσα νετρίνα που περίμεναν οι φυσικοί. Η έρευνα στο Παρατηρητήριο Sudbury Neutrino (SNO, προφέρεται "χιόνι") καθορίζει τον λόγο. Εγκατεστημένο σε ορυχείο νικελίου ύψους 6.800 ποδιών στο Οντάριο, το SNO περιέχει 1.100 τόνους "βαρέος ύδατος", το οποίο έχει μια ασυνήθιστη μορφή υδρογόνου που αντιδρά σχετικά εύκολα με νετρίνα. Το υγρό βρίσκεται σε δεξαμενή ενσφηνωμένη μέσα σε μια τεράστια ακρυλική σφαίρα η οποία συγκρατείται μέσα σε μια γεωδαιτική υπερκατασκευή, η οποία απορροφά τους κραδασμούς και στις οποίες είναι κρεμασμένοι 9.456 αισθητήρες φωτός - το όλο πράγμα μοιάζει με ένα στολίδι χριστουγεννιάτικων δέντρων 30 ποδιών.
Οι επιστήμονες που εργάζονται στο SNO ανακάλυψαν το 2001 ότι ένα νετρίνο μπορεί να αλλάξει αυθόρμητα μεταξύ τριών διαφορετικών ταυτοτήτων - ή όπως λένε οι φυσικοί, ταλαντεύεται ανάμεσα σε τρεις γεύσεις. Η ανακάλυψη είχε καταπληκτικές συνέπειες. Για ένα πράγμα, έδειξε ότι προηγούμενα πειράματα είχαν εντοπίσει πολύ λιγότερα νετρίνα από ό, τι προέβλεπε επειδή τα όργανα ήταν συντονισμένα σε μια μόνο γεύση ουδετερίτη - το είδος που δημιουργεί ένα ηλεκτρόνιο - και έλειπαν αυτά που άλλαξαν. Για ένα άλλο, το εύρημα ανατρέπεται από την πεποίθηση των φυσικών ότι ένα νετρίνο, όπως ένα φωτόνιο, δεν έχει μάζα. (Η ταλάντωση ανάμεσα στις γεύσεις είναι κάτι που μόνο τα σωματίδια με μάζα είναι σε θέση να κάνουν).
Πόση μάζα έχουν τα νετρίνα; Για να ανακαλύψουμε, οι φυσικοί κατασκευάζουν το ΚΑΤΡΙΝ - το Πείραμα του Ουρανού Τριτίου του Καρλσρούη. Το επιχειρηματικό τέλος του KATRIN διαθέτει μια συσκευή 200 τόνων που ονομάζεται φασματόμετρο που θα μετρήσει τη μάζα των ατόμων πριν και μετά τη ραδιενεργή διάσπαση, αποκαλύπτοντας έτσι πόση μάζα εκπέμπει το νετρίνο. Οι τεχνικοί δημιούργησαν το φασματόμετρο περίπου 250 μίλια από την Καρλσρούη της Γερμανίας όπου θα λειτουργήσει το πείραμα. η συσκευή ήταν πολύ μεγάλη για τους στενούς δρόμους της περιοχής, οπότε τοποθετήθηκε σε μια βάρκα στον ποταμό Δούναβη και έπεσε πέρα από τη Βιέννη, τη Βουδαπέστη και το Βελιγράδι, στη Μαύρη Θάλασσα, μέσω του Αιγαίου και της Μεσογείου, γύρω από την Ισπανία, , στο Ρότερνταμ και στο Ρήνο, στη συνέχεια νότια μέχρι το λιμάνι του ποταμού Leopoldshafen της Γερμανίας. Εκεί ήταν εκφορτωμένο σε ένα φορτηγό και τσεκούρι μέσα από την πόλη στον προορισμό του, δύο μήνες και 5600 μίλια αργότερα. Είναι προγραμματισμένη η έναρξη συλλογής δεδομένων το 2012.
Οι φυσικοί και οι αστρονόμοι που ενδιαφέρονται για την πληροφόρηση ότι τα νετρίνα από το εξωτερικό χώρο μπορεί να φέρουν υπερκαινοφανείς ή συγκρουόμενους γαλαξίες έχουν δημιουργήσει «τηλεσκόπια» νετρίνων. Το ένα, που ονομάζεται IceCube, βρίσκεται μέσα σε ένα πεδίο πάγου στην Ανταρκτική. Όταν ολοκληρωθεί, το 2011, θα αποτελείται από περισσότερους από 5.000 αισθητήρες μπλε φωτός (βλ. Διάγραμμα παραπάνω). Οι αισθητήρες δεν στοχεύουν στον ουρανό, όπως ίσως να περιμένατε, αλλά προς το έδαφος, για να ανιχνεύσουμε νετρίνα από τον ήλιο και τον εξωτερικό χώρο που έρχονται από τον πλανήτη από το βορρά. Η γη μπλοκάρει τις κοσμικές ακτίνες, αλλά τα περισσότερα νετρίνια φτάνουν στον πλανήτη πλάτους 8000 μιλίων σαν να μην ήταν εκεί.
Ένα πείραμα νετρίνων μεγάλων αποστάσεων λαμβάνει χώρα κάτω από αρκετές μεσοδυτικές πολιτείες. Ένας επιταχυντής υψηλής ενέργειας, ο οποίος παράγει υποατομικά σωματίδια, πυροδοτεί δέσμες νετρίνων και συναφών σωματιδίων, μέχρι και 6 μίλια βαθιά, κάτω από τον Βόρειο Ιλλινόις, σε ολόκληρο το Wisconsin και στη Μινεσότα. Τα σωματίδια ξεκινούν από το Fermilab, ως μέρος ενός πειράματος που ονομάζεται Search for Neutrino Oscillation Search (MINOS) του Κύριου Εγχυτή. Σε λιγότερο από τρία χιλιοστά του δευτερολέπτου, χτύπησαν έναν ανιχνευτή στο σιδερένιο ορυχείο Soudan, 450 μίλια μακριά. Τα δεδομένα που έχουν συγκεντρώσει οι επιστήμονες περιπλέκουν την εικόνα του απειροελάχιστου κόσμου: τώρα φαίνεται ότι εξωτικές μορφές νετρίνων, τα αποκαλούμενα αντι-νετρίνα, δεν ακολουθούν τους ίδιους κανόνες ταλάντωσης με άλλα νετρίνο.
"Αυτό που είναι δροσερό, " λέει ο Conrad, "είναι ότι δεν είναι αυτό που περιμέναμε."
Όταν πρόκειται για νετρίνα, πολύ λίγα είναι.
Το τελευταίο βιβλίο της Ann Finkbeiner, ένα μεγάλο και τολμηρό πράγμα, αφορά την έρευνα Sloan Digital Sky, μια προσπάθεια να χαρτογραφήσει το σύμπαν.
Τα περισσότερα από τα νετρίνα που μας βομβαρδίζουν προέρχονται από τον ήλιο, που εμφανίζεται εδώ σε μια υπεριώδη εικόνα. (NASA) 
Ο σπειροειδής ανιχνευτής Super-Kamiokande στην Ιαπωνία είναι επενδεδυμένος με 13.000 αισθητήρες για να εντοπίσει σημάδια νετρίνων. Οι εργαζόμενοι σε μια βάρκα παρακολουθούν τη συσκευή καθώς γεμίζει με νερό. (Παρατηρητήριο Kamioka, ICRR (Ινστιτούτο για την έρευνα των κοσμικών ακτίνων), Πανεπιστήμιο του Τόκιο) 
Σε μια σειρά αντιδράσεων στον πυρήνα του ήλιου, τα άτομα υδρογόνου δημιουργούν ήλιο μέσω σύντηξης. Η διαδικασία απελευθερώνει ενέργεια και υποατομικά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των νετρίνων. Όταν ένα φωτόνιο, ή ένα σωματίδιο φωτός, φεύγει από τον πυκνό πυρήνα του ήλιου, παγιδεύεται στη ζέστη και τη μανία και μπορεί να μην φτάσει σε μας για εκατομμύρια χρόνια. Αλλά ένα ηλιακό νετρίνο είναι παρατεταμένο και φτάνει στη γη σε οκτώ λεπτά. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
Το Παρατηρητήριο του Sudbury Neutrino του Καναδά επιβεβαίωσε ότι ένα νετρίνο μπορεί να αλλάξει την ταυτότητά του. (SNO) 
Οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven της Νέας Υόρκης, που παρουσιάζονται εδώ στον ανιχνευτή STAR του εργαστηρίου, ελπίζουν να πυροβολήσουν μια δέσμη νετρίνων υπόγεια στο ορυχείο Homestake στη Νότια Ντακότα. (BNL) 
Ο ανιχνευτής MINOS στο Μινεσότα είναι ο στόχος των ακτίνων των νετρίνων που πυροβολούνται από τον Ιλινόι. (Υπηρεσίες οπτικών μέσων Fermilab) 
Το φασματόμετρο KATRIN, το οποίο θα μετρήσει τη μάζα του νετρίνο, συμπιέζεται μέσω Leopoldshafen, Γερμανία, καθ 'οδόν προς ένα εργαστήριο. (Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καρλσρούης) 
Ο ανιχνευτής νετρονίων IceCube στην Ανταρκτική είναι ενσωματωμένος στον πάγο. Με 5.000 αισθητήρες συνδεδεμένους σε περισσότερες από 70 γραμμές, το IceCube θα ψάξει για νετρίνα που έχουν περάσει 8.000 μίλια μέσω του πλανήτη. (Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison) 
Μια σειρά αισθητήρων κατεβαίνει σε μια τρύπα 8, 000 ποδιών. (Jim Haugen / Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών)
