Jokaisen päivän joka toinen sekunti pommittaa sinua triljoonia triljoonien alaatomisten hiukkasten kohdalla suihkussa alas avaruuden syvyyksistä. Ne puhaltavat läpi teidät kosmisen hurrikaanin voimakkuudella räjäyttäen melkein valon nopeudella. He tulevat kaikkialta taivaasta kaikkina vuorokauden päivinä ja öisin. Ne tunkeutuvat maan magneettikentään ja suojaavaan ilmakehöömme kuten niin paljon voita.
Ja silti pään yläosassa olevia hiuksia ei edes rypistetä.
Mitä tapahtuu?
Pikku neutraali
Näitä pieniä luoteja kutsutaan neutriinoiksi, termi, jonka loi loistava fyysikko Enrico Fermi vuonna 1934. Sana on epämääräisesti italialainen ilmauksella "pieni neutraali", ja heidän olemassaolonsa hypoteesiksi selitettiin erittäin utelias ydinreaktio.
Joskus elementit tuntuvat hieman… epävakailta. Ja jos he jätetään yksin liian kauan, ne hajoavat ja muuttavat itsensä joku muu, jotain hieman kevyempi jaksotaulukossa. Lisäksi pieni elektroni aukeaa. Mutta 1920-luvulla huolelliset ja yksityiskohtaiset havainnot näistä rappeutumisista löysivät pieniä, niggling eroja. Kokonaisenergia prosessin alussa oli vähän suurempi kuin ulos tuleva energia. Matematiikka ei laskenut. Outo.
Joten muutama fyysikko kokosoi upouuden hiukkasen kokonaisesta kankaasta. Jotain, jolla voit viedä puuttuvan energian. Jotain pientä, jotain kevyttä, jotain ilmaiseksi. Jotain, joka voi lipsata ilmaisimien läpi huomaamatta.
Pieni, neutraali. Neutriino.
Heidän olemassaolonsa kesti vielä pari vuosikymmentä - he ovat siistiä ja mahtavia ja tuskallisia. Mutta vuonna 1956 neutriinot liittyivät tunnettujen, mitattujen, vahvistettujen hiukkasten kasvavaan perheeseen.
Ja sitten asiat muuttuivat outoiksi.
Suosikki maku
Vaikeudet alkoivat panimoida kuunon löytämisen kanssa, mikä tapahtui sattumanvaraisesti suunnilleen samana aikana, jolloin neutriinoidea oli alkanut juurtua: 1930-luvulle. Kuoni on melkein täsmälleen kuin elektroni. Sama maksu. Sama spin. Mutta se on erilainen yhdellä tärkeällä tavalla: Se on raskaampi, yli 200 kertaa massiivisempi kuin sisarus, elektroni.
Kuut osallistuvat omiin erityyppisiin reaktioihin, mutta eivät yleensä kestä kauan. Vaikuttavan joukonsa vuoksi ne ovat erittäin epävakaita ja hajoavat nopeasti pienempien bittien suihkuihin ("nopeasti" tarkoittaa tässä mikrosekunnin tai kahden sekunnin sisällä).
Siinä kaikki on hyvin, joten miksi kuikot joutuvat neutriinotarinaan?
Fyysikot huomasivat, että lamaantumisreaktioissa, jotka viittasivat neutrinoon olemassaoloon, oli aina elektronia esiintymässä, eikä koskaan kuona. Muissa reaktioissa muonit ilmestyisivät, eivät elektronit. Selittääkseen nämä havainnot, he perustelivat, että neutriinot sopeutuivat aina elektronien kanssa näissä rappeutumisreaktioissa (eivätkä minkään muun tyyppisissä neutriinoissa), kun taas elektronien, muonien on oltava pariksi vielä toistaiseksi havaitsemattoman neutriinotyypin kanssa ... Loppujen lopuksi elektroni ystävällinen neutriino ei pystyisi selittämään havaintoja muonitapahtumista.
Ja niin metsästys jatkui. Ja edelleen. Ja edelleen. Vasta vuonna 1962 fyysikot saivat lopulta lukon toisen tyyppiseen neutriinoon. Sitä nimitettiin alun perin "neutretoksi", mutta järkevämmät päät hallitsivat suunnitelmaa kutsua sitä muoni-neutriinoksi, koska se aina parilihautui reaktioissa kuunon kanssa.
Taon tapa
Okei, niin kaksi vahvistettua neutriinoa. Oliko luontoa enemmän varastossa meille? Vuonna 1975 Stanfordin lineaarisen kiihdyttimen keskuksen tutkijat seulottivat rohkeasti yksitoikkoisten tietojen vuorten läpi paljastaakseen vieläkin raskaamman sisaruksen ketterälle elektronille ja mojovalle muonille: tylsä tau, joka kelloi huikean 3500-kertaisen elektronin massan verran. . Se on iso hiukkanen!
Joten heti kysymykseksi tuli: Jos siellä on kolmen hiukkasen perhe, elektroni, muoni ja tau ... voisiko olla kolmas neutriino pariutua tämän uuden löytämisen kanssa?
Ehkä ehkä ei. Ehkä siellä on vain kaksi neutriinoa. Ehkä niitä on neljä. Ehkä 17. Luonto ei ole täyttänyt tarkalleen odotuksiamme aiemmin, joten ei ole syytä aloittaa nyt.
Hyppäämällä läpi paljon hirvittäviä yksityiskohtia, vuosikymmenien ajan, fyysikot vakuuttivat itsensä käyttämällä erilaisia kokeita ja havaintoja siitä, että kolmannen neutrinoon pitäisi olla olemassa. Mutta vasta vuosituhannen lopulla, vuonna 2000, Fermilabissa erityisesti suunniteltu kokeilu (jota kutsuttiin humoristisesti DONUT-kokeeksi NU Taun suoraa tarkkailua varten, ja ei, en tee sitä loppuun) lopulta sai tarpeeksi vahvistettuja havaintoja oikeutetusti vaatia havaitsemista.
Jahtaa aaveita
Joten miksi välitämme niin paljon neutriinoista? Miksi olemme jahdanneet heitä yli 70 vuotta, ennen toista maailmansotaa nykyaikaan? Miksi nämä pienet, neutraalit tiedemiehet ovat niin kiehtoneet?
Syynä on, että neutriinot elävät edelleen odotuksiemme ulkopuolella. Kauan aikaa emme edes olleet varmoja siitä, että niitä oli olemassa. Olimme pitkään vakuuttuneita siitä, että he olivat täysin massattomia, kunnes kokeilut ärsyttävästi havaitsivat, että niillä on oltava massa. Täsmälleen "kuinka paljon" on edelleen nykyaikainen ongelma. Ja neutriinoilla on tämä ärsyttävä tapa muuttaa luonnettaan matkoillaan. Se on totta, kun neutriino matkustaa lennossa, se voi vaihtaa naamiot kolmen maun joukosta.
Siellä saattaa jopa olla vielä ylimääräistä neutriinoa, joka ei osallistu mihinkään tavanomaiseen vuorovaikutukseen - jota kutsutaan steriiliksi neutriinoksi, jota fyysikot etsivät nälkäisesti.
Toisin sanoen neutriinot haastavat jatkuvasti kaiken, mitä tiedämme fysiikasta. Ja jos meillä on yksi asia, jota tarvitsemme, sekä aiemmin että tulevaisuudessa, se on hyvä haaste.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
