Neutrino je elementarna čestica bez električnog naboja i gotovo isključivo vezana uz elementarnu slabu silu koja je odgovorna za radioaktivni raspad kemijskih elemenata. Neutrinovo međudjelovanje s materijom je tako slabo da neutrino može kod stanovite energije proći bez apsorpcije kroz olovni zid debljine oko stotinu svjetlosnih godina ( svjetlo u osam minuta prijeđe udaljenost od Sunca do Zemlje, 150 milijuna km!). Stručno se kaže da neutrino ima vrlo mali udarni presjek s materijom. Neutrino je uz foton najbrojnija čestica u svemiru. U jednoj sekundi kroz naše tijelo prođe milijarde neutrina, a da mi to niti ne osjetimo. Čak naše tijelo koje ima oko dvadesetak miligrama radioaktivnog kalija emitira nekoliko stotina milijuna neutrina po danu! Za fundamentalno istraživanje koje pokušava odgovoriti na staro Faustovo pitanje: Was die Welt im Innersten zusammen halt (od čega se sastoji naš svemir i mi u njemu) neutrino je bio važan objekt studija kako u prošlosti, tako i danas. Najnoviji pokusi vezano za neutrino ukazuju na važnost ove čestice prilikom budućih istraživanja svemira. Paradoksalno je da je upravo neutrinovo svojstvo zanemarivog udarnog presjeka s materijom omogućilo početak neutrino astronomije i da je neutrino jedini mogući ‘izvjestitelj’ samog hipotetičkog početka našeg svemira, ‘Big Banga‘ (Velikog praska).

Povijest istraživanja neutrina


NeutrinoPovijest istraživanja neutrina je klasičan primjer metode i razvoja moderne fizike visokih energija. Koncem 19. stoljeća indirektni početak povijesti neutrina bilo je slučajno otkriće ‘čudnih’ zraka francuskog fizičara Henri Becquerella i kasnijeg otkrića elementa radija od strane Marie i Pierre Curiea. Daljnjim istraživanjima je pronađeno da radioaktivni elementi emitiraju tri različite vrste čestica nazvane: alfa, beta i gama. Za otkriće neutrina važan je takozvani beta (elektron) raspad radioaktivnih elemenata. Kod alfa raspada u konačnom stanju postoje dvije čestice i radi očuvanja energije alfa čestica mora imati određenu energiju. To nije slučaj kod beta raspada gdje također u konačnom stanju opserviramo samo dvije vidljive čestice, ali za razliku od alfa raspada kod beta raspada elektron ima čitav spektar različitih energija, što je u sukobu sa zakonom o očuvanju energije. Očuvanje energije je sakrosantni zakon u makrofizici. Je li moguće da u mikrofizici nema očuvanja energije? Wolfgang Pauli (slika 1 ), poznati austrijski fizičar u Zurichu nije se mogao pomiriti s idejom o neočuvanju energije.

Zato je ad hoc predložio, da kod beta raspada u konačnom stanju postoji još jedna čestica. Ona je bez naboja i tako slabog međudjelovanja s materijom da ju mi ne opserviramo, ali ona odnese energiju koja je navodno izgubljena. Ta fiktivna čestica garantira očuvanje energije i momenta kod beta raspada. Pauli ju je nazvao neutron i naslućivao da je ona bez mase slično kao gama čestica (foton, ‘atom svjetlosti‘). Sam nije bio zadovoljan sa svojim prijedlogom, jer je izjavio, da je nefizikalno predložiti nešto što se ne može mjeriti. Godine 1930. Pauli šalje svoj prijedlog u obliku pisma sudionicima Fizikalne konferencije u Tubingenu (Njemačka) na kojoj se je diskutiralo o problemu beta raspada. Tako je malo cijenio važnost svog prijedloga, koji je kasnije postao osnova fundamentalnog istraživanja slabih sila, da sam nije došao na konferenciju, jer nije htio propustiti svečani ples na svom Institutu. U pismu je naveo da se njegova hipoteza ne može smatrati ozbiljnom, osim ako članovi konferencije predlože metodu kako eksperimentalno otkriti tu misterioznu česticu. Kako bi se Paulijeva čestica razlikovala od neutrona, kojeg je Sir James Chadwik otkrio tek 1932. godine, poznati talijanski fizičar Fermi nazvao je tu česticu neutrino, što na talijanskom znači mali neutron. Fermi je na jednoj bezazlenoj pretpostavci konstruirao novu fundamentalnu teoriju fizike slabih sila koja je protumačila beta raspad, gdje se neutron raspada u proton, elektron i neutrino (n-p+e+v).
Godina 1930. je donijela teorijsku egzistenciju neutrina, a tek 1956. eksperimentalno potvrdu njezine egzistencije. Do sada su dodijeljene tri Nobelove nagrade direktno vezane uz eksperimentalna otkrića s neutrinom.

Gdje nastaju neutrini?

Prirodni izvori neutrina su:
• Primordijalni neutrini stvoreni još u kozmološkom Velikom prasku. Ti neutrini još uvijek ispunjavaju svemir u formi kozmološkog backgrounda (CB), pozadinskog zračenja.
• Neutrini stvoreni u nuklearnoj fuziji na Suncu i u eksplozijama Supernova u raznim galaksijama.
• Neutrini stvoreni u našoj atmosferi kod sudara tzv. Kozmičkih zraka s molekulama u atmosferi.
• Neutrini emitirani kod raspada jedne radioaktivne atomske jezgre.


Umjetni izvori su:

• Kod akceleratora gdje intenzivni visokoenergetski snopovi protona u sudaru s atomskim jezgrama u materiji produciraju veliki broj slobodnih čestica od kojih se mnoge raspadaju u razne vrste neutrina. Time se stvaraju vrlo intenzivni snopovi neutrina. Ti neutrini, zajedno s ostalih devet elementarnih čestica (kvarkovi i mioni) stvaraju strukturu materije u tzv. Standardnom modelu elementarnih čestica. To su u neku ruku Demokritovi atomi iz četvrtog stoljeća prije Krista.
• Neutrini producirani kod nuklearne fizije (uranov raspad u kripton, barij i nekoliko neutrona) u komercijalnim atomskim reaktorima.


Neutrino je postao novi prozor u modernoj fizici: fizike čestica, astrofizike i kozmologije. Studija neutrina predstavlja, kako ćemo vidjeti, pravu multidisciplinarnu znanost, gdje se fundamentalna fizika, tehnologija i filozofija susreću u znanstvenom istraživanju i razmišljanju.

Druga generacija neutrino eksperimenata

Neutrino astronomija

Klasična astronomija uglavnom dobiva informacije pomoću elektromagnetskih teleskopa (vidljivo svjetlo, gamazrake i radiovalovi). Nedostatak je tih zraka da mogu biti lako apsorbirane od materije. Upravo kod tog problema nadopunjuje neutrino klasičnu astronomiju. Neutrini su dakle idealni kozmički vjesnici iz područja svemira koja su nepristupačna za elektromagnetsku detekciju.
Kako bismo mogli proširiti s povećanom statistikom dosadašnju neutrino astronomiju i nadalje proširiti studiju svemira izvan naše galaksije potrebne su dimenzije rezervoara reda veličine kubičnih kilometara. To je puno više od ranije navedenih rezervoara. Zato su potrebne prirodne količine materije koje se mogu ostvariti samo u dubokim morima ili jezerima. Mjerenje neutrina se vrši indirektno preko miona (‘teški elektroni’). Mion se stvara kod slučajnog sudara neutrina s atomskim jezgrama vode ili leda i pravac miona dovoljno točno pokazuje pravac i energiju neutrina. Kako mion ima električni naboj i brzinu u vodi ili ledu veću od brzine svjetlosti producira plavkasto Čerenkovo svjetlo. Ti slabi svjetlosni bljeskovi budu pojačani i registrirani preko fotomultiplajera, čime se može izračunati pravac i energija neutrina.
Dosad postoje tri neutrino eksperimenta u dubokoj vodi do 5000 metara (dva u Mediteranu i jedan u Baikal jezeru u Sibiru) i jedan u ledu na Antarktiku. Oni su svi dovoljno blizu obali da bi se moglo lako preko elektrooptičkih kabela prenijeti signale u laboratorij na kopnu. Kako su to skupi i komplicirani detektori na njima rade nekoliko tisuća fizičara, informatičara i tehničara iz mnogih zemalja Europe, Japana, Rusije i Amerike. Do sada se s tim detektorima uspjelo registrirati neutrine, ali još nema nekih spektakularnih astronomskih rezultata. Detektori se stalno dotjeruju i proširuju.

Cilj tih eksperimenata je studij nastanka i nestanka galaksija, što se neprestano događa u svemiru. Isto tako je cilj studija Supernove i njihov konac u neutronskim i sličnim zvijezdama i crnim rupama, kao i studij crne materije i produkcija egzotičnih čestica, do sada neopaženih kod akceleratora npr. monopola (čestice samo s jednim magnetnim polom ili tzv. supersimetrične čestice koje predviđaju i neke teorije struna). One bi morali potvrditi ispravnost prilično spekulativnih modela, npr. razne verzije Standardnog Kozmološkog Modela, Big Banga (Velikog praska).
U principu svi ti detektori imaju kao središnji element seriju visećih fotomultiplajera nanizanih na fiber vrpcama u točno definiranom redu trodizimenzijskog koordinatnog sustava (slika 6).
Najveći detektor u planu je jedan kubični kilometar leda na Južnom polu. To je jedini detektor na južnoj polukugli tzv. AMANDA detektor (Antarctic Mion And Neutrino Detector Array). Taj detektor se trenutno sastoji od 1 9 vrpci dugih 500 metara s 675 fotomultiplajera koji su zauvijek zamrznuti u kanalima leda probušenim toplom vodom, 500 metara ispod površine leda (slika 7).

       AMANDA detektor neutrina

Slika 6. Fotomultiplajeri nanizani u točno definiranom redu trodimenzijskog koordinatnog sustava
Slika 7. AMANDA detektor neutrina

Detektori analiziraju neutrine koji prolaze kroz cijelu Zemlju da bi se smanjio background kozmičkih zraka. Tako AMANDA promatra sjevernu polukuglu, a ostali detektori južnu polukuglu. AMANDA je trenutno 30 puta osjetljivija za neutrino negoli je Super-Kamiokande u Japanu. Na slici 8. prikazan je neutrino laboratorij na Južnom polu.

Neutrino laboratorij
Slika 8. Neutrino laboratorij na Južnom polu


Eksperimenti s terestričkim neutrinima

a) Apsolutna masa neutrina još uvijek nije točno poznata. Mjerenja se provode preko energetskog spektra elektrona kod beta raspada. Naime maksimum spektra ovisi o masi neutrina (slika 9).


Slika 9. Ovisnost maksimuma spektra ovisi o
masi neutrina

Na slici je pokazan energetski spektar u slučaju da je masa neutrina jednaka nuli ili da je m(ve)=1 eV (eV=1,78-10”36 kg).
Grupa od stotine fizičara i tehničara uspostavlja u Karlsruhe (Njemačka) spektrometar ‘Katrin’ za mjerenje spektra energije elektrona iz beta raspada elementa tricija (Karlsruher-Tritium-Neutrino eksperiment). Tricij je vrlo radioaktivan element s vremenom poluraspada od 12,3 godina. To će biti najpreciznija ‘vaga’ na svijetu. Da bi se ‘izvagala’ tako mala čestica (v) treba monstrum aparat dug 24 m, promjera 10 m i mase oko 250 tona. On je sagrađen u Deggendorfu na Dunavu i da bi ga se dovelo u Karlsruhe na Rajni, udaljenom samo 400 km od Deggendorfa, treba ga preko Dunava dovesti u Crno more i preko Mediterana u Sjeverno more do ušća Rajne i preko Rajne do Karlsruhea, 8500 km, jer ga se ne može transportirati po normalnim cestama. Čitav uređaj će biti duljine 75 m. Do danas je u zadnjih 25 godina proveden veliki broj eksperimenata s tricijom, uz najbolji rezultat da je masa elektronneutrina manja od 2,3 eV (i naš Institut Ruđer Bošković je sudjelovao u jednom takvom eksperimentu). ‘Katrin’ će dostići točnost od 0,2 eV. Na taj način će konačno biti moguće točno izmjeriti masu neutrina, ako je ona veća od 0.2 eV. Predviđa se da će 2009. Katrin biti dovršena, nakon čega će se nekoliko sljedećih godina mjeriti masa neutrina!
b) Već nekoliko godina razne grupe traže dvostruki beta raspad bez neutrina koji bi, ako egzistira, pokazao da su neutrino i antineutrino identične čestice. To bi bilo vrlo važno za različite fizikalne teorije.
c) Detaljno ispitivanje oscilacija neutrina u raznim Institutima. Upravo je dovršen i testiran jedan takav eksperiment u CERNu (najveći Institut na svijetu za fiziku visokih energija u Ženevi) i u Gran Sasso podzemnom Institutu u Apeninima blizu Rima. Sve vrste neutrina su producirane pomoću akceleratora u CERNu (slika 1 0) i poslane kroz zemlju do Gran Sasso, udaljenom 732 km od Ženeve.
Dođe li do transformacije neutrina, usporedba mjerenih vrsta neutrina istodobno s identičnim detektorom u Ženevi i u Gran Sasso pokazat će oscilaciju neutrina. Prvi rezultati tog eksperimenata su publicirani u: International Journal of High-Energy Physics: CERN
COURIER, u listopadu 2006. Ovaj časopis će biti osobito interesantan sljedećih godina kad proradi najveći akcelerator na svijetu – LHC (Large Hadron Collider), gdje se očekuju novi fundamentalni rezultati. Treba napomenuti da neke naše istraživačke grupe iz Splita i Zagreba sudjeluju na tim eksperimentima.

Od jedne vrlo bezazlene Paulijeve hipoteze neutrina i eksperimenta mladog ‘besposlenog’ radiokemičara Davisa došlo je do Big Science neutrina. Bez neutrina ne bi dobivali energiju od Sunca i time ni biološku evoluciju. Neutrino je postao ‘burevjesnik’ jedne nove epohe moderne fizike. Sigurno je jedno: u fizici se događa revolucija, a mnogi nefizičari to ne opažaju. Nadamo se da će ovaj naš članak probuditi interes za modernu neutrinsku fiziku!
Kao ‘high-tech science fiction’ može se uskoro očekivati iskorištenje neutrinovog svojstva da bez problema prolazi kroz Zemaljsku kuglu. Moglo bi se tako studirati strukturu Zemljine unutrašnjosti i pronalaziti slojeve nafte ili druge rudače, pronalaziti nove arheološke i druge strukture ispod Zemljine površine. Moglo bi se isto tako lako provoditi razne interakcije u raznim dijelovima Zemlje i npr. inicirati eksploziju neprijateljske atomske bombe i slične vojne tajne pothvate.

About The Author

Urednik

Related Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.