Neutriinot ovat vaikeasti saavutettavissa olevia subatomisia hiukkasia, jotka luodaan monenlaisissa ydinprosesseissa. Heidän nimensä, joka tarkoittaa "vähän neutraaleja", viittaa siihen, että heillä ei ole sähkövarausta. Universumin neljästä perusvoimasta neutriinot ovat vuorovaikutuksessa vain kahden painovoiman ja heikon voiman kanssa, joka vastaa atomien radioaktiivisesta hajoamisesta. Niillä ei juurikaan ole massaa, ja ne vetoavat kosmoksen läpi melkein valon nopeudella.
Lukemattomia neutriinoja syntyi murto-osassa sekunnin ajan ison iskun jälkeen. Ja uusia neutriinoja syntyy koko ajan: tähti-ytimen sydämessä, hiukkaskiihdyttimissä ja atomireaktorissa maan päällä, supernovojen räjähtävän romahduksen aikana ja kun radioaktiiviset elementit rappeutuvat. Tämä tarkoittaa, että maailmankaikkeudessa on keskimäärin miljardi kertaa enemmän neutriinoja kuin protoneja, fysiikan Karsten Heegerin mukaan Yalen yliopistosta New Havenista, Connecticutista.
Niistä kaikkialla levinneisyydestä huolimatta, neutriinot ovat suurelta osin mysteeri fyysikoille, koska hiukkaset ovat niin kovia kiinni. Neutrinot virtaavat suurimman osan läpi ikään kuin ne olisivat läpinäkyvän ikkunan läpi kulkevia valonsäteitä, jotka tuskin ovat vuorovaikutuksessa kaiken muun olemassa olevan kanssa. Noin 100 miljardia neutriinoa kulkee kehosi jokaisen neliösentimetrin läpi tällä hetkellä, vaikka et tunne mitään.
Näkymättömien hiukkasten löytäminen
Neutrinoita pidettiin ensin vastauksena tieteelliseen arvoitukseen. 1800-luvun lopulla tutkijat hämmentyivät beetahajoamiseksi kutsutun ilmiön suhteen, jossa atomin sisällä oleva ydin säteilee spontaanisti elektronia. Beetahajoaminen näytti loukkaavan kahta fyysistä perustuslakia: energian ja energian säilyttämistä. Beetahajoamisessa hiukkasten lopullisessa kokoonpanossa näytti olevan hiukan liian vähän energiaa, ja protoni seisoi paikallaan sen sijaan, että koputettaisiin elektronin vastakkaiseen suuntaan. Vasta vuonna 1930 fyysikko Wolfgang Pauli ehdotti ajatusta ylimääräisen hiukkasen lentämisestä ytimestä kantaen puuttuvaa energiaa ja vauhtia.
"Olen tehnyt kauheaa asiaa. Olen postuloinut hiukkasen, jota ei voida havaita", Pauli sanoi ystävälle ja viittasi siihen, että hänen hypoteesissa oleva neutriino oli niin haamukas, että se tuskin olisi vuorovaikutuksessa minkään kanssa ja sillä olisi vähän tai ei lainkaan massaa .
Yli neljäsosaa myöhemmin fyysikot Clyde Cowan ja Frederick Reines rakensivat neutriinodetektorin ja sijoittivat sen ydinreaktorin ulkopuolelle Savannah-joen atomivoimalaitokselle Etelä-Carolinassa. Heidän kokeilunsa onnistui nappaamaan muutaman sadan biljoonan reaktorista lentävän neutriinin, ja Cowan ja Reines lähettivät ylpeänä Paulille sähkeen ilmoittaakseen hänelle vahvistuksensa. Reines voittaisi Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1995 - Cowan oli siihen mennessä kuollut.
Mutta siitä lähtien neutriinot ovat jatkuvasti uhranneet tutkijoiden odotuksia.
Aurinko tuottaa valtavia määriä neutriinoja, jotka pommittavat maata. 1900-luvun puolivälissä tutkijat rakensivat ilmaisimia etsimään näitä neutriinoja, mutta heidän kokeilunsa osoittivat jatkuvasti ristiriitaa ja havaitsivat vain noin kolmanneksen ennustetuista neutriinoista. Joko jotain oli vialla tähtitieteilijöiden auringonmalleissa, tai jotain outoa oli tekeillä.
Fyysikot huomasivat lopulta, että neutriinoilla on todennäköisesti kolme eri makua tai tyyppiä. Tavallista neutriinoa kutsutaan elektronineutriinoksi, mutta olemassa on myös kaksi muuta makua: muoni-neutriino ja tau-neutriino. Neutriinot kulkevat auringon ja planeettamme välisen etäisyyden aikana ja värähtelevät näiden kolmen tyypin välillä, minkä vuoksi varhaisissa kokeissa, jotka oli suunniteltu vain yhden aromin etsimiseen, puuttui kaksi kolmasosaa niiden kokonaismäärästä.
Mutta vain hiukkaset, joilla on massa, voivat käydä läpi tämän värähtelyn, mikä on ristiriidassa aikaisempien ajatusten kanssa, joiden mukaan neutriinot olivat massaton. Vaikka tutkijat eivät vieläkään tiedä kaikkien kolmen neutriinin täsmällisiä massoja, kokeet ovat osoittaneet, että raskaimman niistä on oltava vähintään 0,0000059 kertaa pienempi kuin elektronin massa.
Uudet säännöt neutriinoille?
Vuonna 2011 Italiassa Emulsion-tRacking Apparat (OPERA) -koe-kokeilun tutkijat aiheuttivat maailmanlaajuisen sensaation ilmoittamalla, että he olivat havainneet valon nopeutta nopeampia neutriinoja - väitetysti mahdotonta yritystä. Tuloksia sai tieteellinen yhteisö, vaikka ne olivatkin tiedotusvälineissä laajasti kerättyjä. Alle vuoden kuluttua fyysikot huomasivat, että viallinen johdotus oli matkinut valoa nopeammin havainnoista, ja neutriinot palasivat takaisin kosmisesti lakia noudattavien hiukkasten valtakuntaan.
Mutta tutkijoilla on vielä paljon opittavaa neutriinoista. Äskettäin tutkijat Mini Booster Neutrino -kokeesta (MiniBooNE) Fermin kansallisessa kiihdytinlaboratoriossa (Fermilab) lähellä Chicagoa ovat toimittaneet vakuuttavia todisteita siitä, että he ovat havainneet uuden tyyppisen neutriinoa, nimeltään steriili neutriino. Tällainen havainto vahvistaa aikaisemman poikkeavuuden, joka havaittiin nestesiristimen neutrinodetektorissa (LSND), kokeessa Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa New Mexico. Steriilit neutriinot käyttävät kaikkia tunnettuja fysiikkoja, koska ne eivät sovi niin kutsuttuun standardimalliin, kehykseen, joka selittää melkein kaikki tunnetut hiukkaset ja voimat painovoimaa lukuun ottamatta.
Jos MiniBooNE: n uudet tulokset kestävät, "Se olisi valtavaa; se on standardimallin ulkopuolella; se vaatisi uusia hiukkasia ... ja kokonaan uutta analyyttistä kehystä", Duke Universityn hiukkasfyysikko Kate Scholberg kertoi Live Science: lle.
