Neutriinot ovat ehkä hämmentävimpiä tunnetuista hiukkasista. He vain kiistävät kaikki tunnetut säännöt siitä, kuinka hiukkasten tulisi toimia. He nauravat hienoja ilmaisimiamme. Kuten kosmiset kissat, ne kulkevat läpi maailmankaikkeuden huoletta ja huolehtimatta, tekemällä toisinaan vuorovaikutusta muiden kanssa, mutta oikeastaan vain silloin, kun he tuntevat olonsa, mikä ei rehellisesti ole niin usein.
Kaikkein turhauttavaa, että he käyttävät naamioita ja eivät näytä koskaan samalla tavalla kahdesti.
Mutta uusi kokeilu on saattanut viedä meidät vain askeleen lähemmäksi näiden naamioiden repimistä. Todellisen neutriinoidentiteetin paljastaminen voisi auttaa vastaamaan pitkään joutuneisiin kysymyksiin, kuten onko neutriinot heidän omat antimaterian kumppaninsa, ja se voisi jopa auttaa yhdistämään luonnon voimat yhdeksi yhtenäiseksi teoriaksi.
Valtava ongelma
Neutrinot ovat outoja. Niitä on kolme tyyppiä: elektronineutriino, muoni-neutriino ja tau-neutriino. (Siellä on myös näiden kolmen hiukkasten vastaisia versioita, mutta se ei ole suuri osa tarinaa.) Ne on kutsuttu niin, koska nämä kolme tyyppiä juhlivat kolmella erilaisella hiukkasella. Elektroni-neutriinot yhdistyvät vuorovaikutukseen, joka sisältää elektroneja. Muonineutriinot muodostuvat pariksi muonien kanssa. Pisteitä ei anneta arvaamisesta, mihin tau-neutriino on vuorovaikutuksessa.
Toistaiseksi se ei ole outoa. Täältä tulee outo osa.
Hiukkasille, jotka ovat ei neutriinot - kuten elektronit, muonit ja tau-hiukkaset - mitä näet, on mitä saat. Nuo hiukkaset ovat kaikki täsmälleen samat, paitsi niiden massat. Jos havaitset hiukkasen, jolla on elektronin massa, se käyttäytyy täsmälleen kuten elektronin tulisi toimia, ja sama koskee muonia ja tauta. Lisäksi kun havaitset elektronin, se on aina elektroni. Ei enempää eikä vähempää. Sama kuono ja tau.
Mutta sama ei koske heidän serkkujaan, elektronia, muonia ja tau-neutriinoja.
Se mitä kutsumme esimerkiksi "tau-neutrinoksi", ei ole aina tau-neutrino. Se voi muuttaa henkilöllisyyttään. Se voi tulla keskilämpötilaan, elektroniksi tai muoniksi neutriinoiksi.
Tätä outoa ilmiötä, jota periaatteessa kukaan ei odottanut, kutsutaan neutriino-värähtelyksi. Se tarkoittaa muun muassa, että voit luoda elektronineutriino ja lähettää sen parhaalle ystävällesi lahjaksi. Mutta kun he saavat sen, he saattavat olla pettyneitä löytäessään tau-neutriinoa sen sijaan.
Kiikkua
Teknisistä syistä neutriinoheilahtelu toimii vain, jos siinä on kolme neutriinoa, joilla on kolme erilaista massaa. Mutta värähtelevät neutriinot eivät ole elektroni-, muoni- ja tau-makuisia neutriinoja.
Sen sijaan on olemassa kolme "todellista" neutriinoa, jokaisella on erilaiset, mutta tuntemattomat massat. Näiden todellisten, perustavanlaatuisten neutriinojen selkeä sekoitus luo jokaisen neutrinoaromin, jonka havaitsemme laboratorioissamme (elektroni, kuoni, tau). Joten laboratoriossa mitattu massa on jonkinlainen seos noista todellisista neutriinomassoista. Sillä välin seoksen kunkin todellisen neutriinon massa säätelee kuinka usein se morfioituu jokaiseen eri makuun.
Fyysikoiden tehtävänä on nyt purkaa kaikki suhteet: Mitkä ovat näiden todellisten neutriinojen massat ja kuinka ne sekoittuvat yhteen saadakseen kolme makua?
Joten fyysikot ovat metsästyksessä paljastaakseen "todellisten" neutriinojen massat tarkastelemalla milloin ja kuinka usein he vaihtavat makuja. Fysiikan žargonista on jälleen erittäin hyötyä selitettäessä tätä, koska näiden kolmen neutriinin nimet ovat yksinkertaisesti m1, m2 ja m3.
Useat hienot kokeilut ovat opettaneet tutkijoille joitain asioita todellisten neutriinojen massoista, ainakin epäsuorasti. Esimerkiksi, me tiedämme joistakin massojen neliön välisistä suhteista. Mutta emme tiedä tarkalleen, kuinka paljon joku todellisista neutriinoista painaa, ja emme tiedä mitkä ovat raskaampia.
Voi olla, että m3 on raskain, huomattavasti suurempi kuin m2 ja m1. Tätä kutsutaan "normaaliksi tilaukseksi", koska se näyttää melko normaalilta - ja se on tilannefyysikkojen olettama pohjimmiltaan vuosikymmeniä sitten. Mutta nykyisen tietomme perusteella voi myös olla, että m2 on raskain neutriino, m1 ei ole kaukana takana ja m3 lyhennetty verrattuna. Tätä skenaariota kutsutaan "käänteiseksi tilaukseksi", koska se tarkoittaa, että arvasimme alun perin väärän järjestyksen.
Tietenkin on teoreetikoiden leirejä, jotka kiinnittävät jokaisesta näistä skenaarioista totta. Teoriat, jotka yrittävät yhdistää kaikki (tai ainakin suurimman osan) luonnonvoimista yhden katon alla, vaativat yleensä normaalia neutriinomassan järjestämistä. Toisaalta, käänteinen massajärjestys on välttämätöntä, jotta neutriino olisi oma hiukkasten vastainen kaksois. Ja jos se oli totta, se voisi auttaa selittämään, miksi universumissa on enemmän ainetta kuin antimateriaa.
DeepCore -harjoitus
Mikä se on: normaali tai käänteinen? Se on yksi suurimmista kysymyksistä, jotka nousevat esiin parin viime vuosikymmenen neutriintotutkimuksesta, ja se on juuri sellainen kysymys, johon massiivinen IceCube Neutrinon observatorio on suunniteltu vastaamaan. Etelänavalla sijaitseva observatorio koostuu kymmenistä Antarktisen jäälevyyn upotettujen ilmaisimien johdoista. Keskimmäisessä "DeepCoressa" on kahdeksan jaksoa tehokkaampia ilmaisimia, jotka näkevät vähemmän energiaa aiheuttavat vuorovaikutukset.
Neutrinot puhuvat tuskin normaalista asiasta, joten ne kykenevät täydellisesti suihkuttamaan suoraan itse Maan kehon läpi. Ja kun he tekevät niin, ne sulautuvat eri makuihin. Joka kerta harvoin, he iskevät molekyylin Antarktiksella sijaitsevalle jäälehdelle lähellä IceCube-ilmaisinta ja laukaisevat CSS-suihkun hiukkasista, jotka lähettävät yllättävän sinistä valoa, nimeltään Cherenkov-säteily. Tämän valon IceCube-merkkijonot havaitsevat.
Äskettäisessä esipainetussa arXiv-lehdessä julkaistussa lehdessä IceCube-tutkijat käyttivät kolmen vuoden DeepCore-tietoja mitataksesi kuinka monta neutrinolajia kulki maan läpi. Edistys on tietysti hidasta, koska neutriinoja on niin vaikea saada. Mutta tässä työssä. tutkijat ilmoittavat, että tietotiedot pitävät normaalista tilauksesta vähäistä (mikä tarkoittaisi arvata oikein vuosikymmeniä sitten). He eivät kuitenkaan ole vielä löytäneet mitään liian vakuuttavaa.
Onko tämä kaikki mitä saamme? Ainakaan. IceCube valmistautuu piakkoin laajaan päivitykseen, ja uudet kokeilut, kuten Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) ja Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), ovat valmistautumassa vastaamaan myös tähän keskeiseen kysymykseen. Kuka tiesi, että tällainen yksinkertainen kysymys neutriinomassojen järjestämisestä paljastaa niin suuren osan maailmankaikkeuden toiminnasta? Se on liian huono, se ei myöskään ole helppo kysymys.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä "Kysy avaruusasemalta" ja "Avaruusradio, "ja" kirjoittajaPaikkasi maailmankaikkeudessa."
