Neutrino-kameleon svijeta elementarnih čestica
Na naslovnoj slici su prikazani tragovi neutrino-čestica, slika bazirana prema eksperimentu u Fermilab Bubble Chamber.Svake sekunde milijarde neutrino-čestica koje dolaze iz jezgre našeg Sunca pogađaju vaše tijelo. I nijedan vas ne povrijedi, jer između ovih čestica i materije gotovo da i nema interakcije. Zbog toga su naučnici neutrine nazvali i “čestice-duhovi”. Šta su neutrina? Neutrina […] The post Neutrino-kameleon svijeta elementarnih čestica appeared first on Nauka govori.
Na naslovnoj slici su prikazani tragovi neutrino-čestica, slika bazirana prema eksperimentu u Fermilab Bubble Chamber.Svake sekunde milijarde neutrino-čestica koje dolaze iz jezgre našeg Sunca pogađaju vaše tijelo. I nijedan vas ne povrijedi, jer između ovih čestica i materije gotovo da i nema interakcije. Zbog toga su naučnici neutrine nazvali i “čestice-duhovi”.
Šta su neutrina?
Neutrina su subatomske čestice koje gotovo nemaju masu i slabo interaguju s materijom, što ih čini izuzetno teškim za detekciju. Oni prolaze kroz materiju gotovo neometano, pa su potrebni ogromni detektori i posebne tehnike za njihovo otkrivanje. Neutrina dolaze u tri vrste, ili “ukusa” (elektronski, mionski i taonski), i mogu prelaziti iz jednog oblika u drugi kroz proces poznat kao neutrinska oscilacija. Ovo otkriće je važno jer nam pomaže razumeti fundamentalne osobine čestica i fiziku izvan Standardnog modela.
Osim supersimetrije koju naučnici predviđaju (hipoteza da svaki bozon ima svoj fermionski parnjak i da svaki fermion ima svog bozonskog parnjaka), postoji još jedan interesantan odnos u prirodi. Odnos materije i antimaterije u kojem svaka čestica ima svoju antičesticu-iste mase, samo različitog naboja.
neutrina, bubble chamber, Fermilab
Tako elektron ima svoju antičesticu pozitron, proton ima antiproton, a neutron antineutron. Ako se čestica i odgovarajuća antičestica nađu i sudare se, one anihiliraju – ponište se. Anihilacija ne znači totalno uništenje – zakon o očuvanju mase i energije ne predviđa potpuno uništenje, nego pri anihilaciji nastaju nove čestice. Kada bi se sudarili elektron i pozitron, nastala bi dva fotona – dobro, ne bi nastala svjetlost, ali bi se anihilacija očitovala kao jedan dio elektromagnetnog spektra i to kao gama-zračenje.
Ako je atom hidrogena sastavljen od jednog elektrona i jednog protona (a jeste), onda je atom antihidrogena sastavljen iz jednog pozitrona i jednog antiprotona. Teoretski mogla bi postojati i anti-voda-sastavljena od jednog atoma antioksigena i dva atoma antihidrogena.
Međutim, mi baš ne nalazimo anti-vodu u prirodi, zar ne? Materija i antimaterija nisu simetrično raspoređene u svemiru – ima više materije..
Zašto je svemir ispunjen materijom, a ne antimaterijom jedna je od najvećih zagonetki prirode. Materiju čine elementarne čestice zvane fermioni. Dakle, postoje dvije velike grupe čestica -fermioni i bozoni. Fermioni su “odgovorni” za materiju, a bozoni za sile, mada ovo “odgovorni” treba duple navodnike(gluoni su bozoni koji “spajaju” kvarkove u neutronu i protonu).
Fermioni – da preskočim priču o tome da imaju elementarni i kompozitni fermioni, priču oko tipa spina ovih čestica i statistike koja objašnjava njihovo ponašanje – se dijele na kvarkove, njih 6 i na još 6 vrsta čestica. Ukupno, dakle, ima 12 vrsta fermiona: onih 6 kvarkova (6 “okusa”-flavours: b,u,c,s,b,t) i još elektron, muon, tau te tri tipa neutrina (tri “okusa” -flavours)- elektron neutrino, muon neutrino i tau neutrino. Sve one fermione koji nisu kvarkovi zovemo leptoni.
Ovi flavours neutrina ovise o tome koja čestica još nasteje zajedno sa neutrinom – ako je to elektron, onda taj neutrino zovemo elektron neutrino i tako dalje. Dakle, ako ste upamtili da neutrino nije isto što i neutron, onda sam nešto i objasnila. Neutron se sastoji od tri kvarka (dva donja i jedan gornji) a neutrina su čestice koje kao i kvarkovi spadaju u te neke fermione, ali ne grade ni proton ni neutron.
Zašto sam post počela sa antimaterijom, a onda nenadano skrenula u polje fizike elementarnih čestica i to u ove nikad-čuli neutrino čestice?
Dok naučnici u CERN-u čačkaju Higgsov bozon, pentakvarkove i supersimetriju, neke druge laboratorije u svijetu se bave neutrinima kako bi riješili drugu najveću misteriju svemira (prva je valjda gravitacija, supersimetrija, tamna materija ili tamna energija, ne znam ni ja više). Fermilab, DUNE ( Deep Underground Neutrino experiment), JUNO ( Jiangmen Underground Neutrino Obsevatory), INO ( India-based Neutrino Observatory) i japanski Hyper-Kamiokande (ili, jednostavnije, Super-K) traže neutrina. Jer neutrina su povezana sa problematikom materija-antimaterija i osumnjičeni su da su saučesnici u postojanju tamne materije. Tu je i IceCube Neutrino Observatory na Antarktiku – koristi kubični kilometar leda za detekciju visokih energija neutrina, prvenstveno iz astrofizičkih izvora. Ovdje su nedavno detektovana neutrina.
Da-nemojte miješati tamnu materiju i antimateriju. Never. Ever.
Kako IceCube i Super-K detektuju neutrina pomoću vode?
IceCube koristi kubični kilometar leda na Antarktiku kao detektor neutrina. Kada neutrino interaguje s česticom u ledu, proizvodi naelektrisane čestice koje putuju brže od brzine svetlosti u ledu, stvarajući Čerenkovljevo zračenje. Ovo zračenje detektuju nizovi optičkih modula (foto-multiplikatorske cevi) raspoređenih u ledu na dubini od 1,5 do 2,5 kilometra. Analizirajući svetlosne tragove, naučnici mogu rekonstruisati energiju i putanju neutrina.
 |
| Neil DeGrass Tyson u Super-K detektoru neutrina |
Moć mijenjanja oblika neutrina
Neutrino je čudna čestica – ima tri stanja mase, što će reći da je svaki neutrino mješavina tri stanja, a to opet, doprinosi jednoj preludoj osobini neutrina – to je kameleon čestica, nešto kao Madonna ili David Bowie svijeta čestica. Kako putuje kroz prostorno-vremenski kontinuum, neutrino mijenja svoj “flavour”.
Frekvencija ovih promjena ovisi nekoliko faktora, ali rezultat je zadivljujući – u vrijeme-prostor kontinuumu, jedan neutrino možda počinje svoj vijek elementarne čestice kao elektron-neutrino, pa nešto kasnije postaje muon-neutrino, iz kojeg se pretvara u tau-neutrino. I sve tako. U tom osciliranju kroz flavours neutrina i njegove antičestice antineutrina je izgleda ključ za razumijevanje odnosa materije i antimaterije te njihovog rasporeda u prirodi.
Za otkriće da neutrino-čestice imaju promjenljivu prirodu, Takaaki Kajita sa University Tokio i Arthur McDonald sa Queen’s University Kingston, Kanada su 2015. podijelili Nobelovu nagradu za fiziku.
 |
| Image credit: Nature magazine |
 |
| Takaaki Kajita i Arthur McDonald, Reuters/ Kyodo via Nature magazine |
Osim toga što fluidnost identiteta neutrina zadaje glavobolje naučnicima koji se bave problemom asimetrije antimaterije i materije, neutrinu možemo, izgleda, zahvaliti i zdrave zube: u dosta zvijezda je pronađen fluor, koji, kako naučnici sa Harvarda zaključuju, vodi porijeklo od gasa neona (koji je jedan od najčešćih elemenata u prirodi, nakon hidrogena, helija, oksigena i karbona) tako što neutrino čestice bombarduju protone i neutrone neona.Fluor se nalazi taman jedno mjesto ispred neona, sa jednim protonom manje.
Tekst je originalno objavljen 2015, pa ažuriran 2024.
The post Neutrino-kameleon svijeta elementarnih čestica appeared first on Nauka govori.
Koja je vaša reakcija?
