Zagadka neutrin slonecznych.pdf

Zagadka

neutrin

Fizycy z Sudbury Neutrino Observatory

udowodnili, ˝e obserwowany wczeÊniej

deficyt neutrin s∏onecznych nie by∏ wynikiem

nieprawid∏owoÊci w pomiarach ani te˝

niezrozumienia zjawisk zachodzàcych w S∏oƒcu,

lecz nowo odkrytej w∏aÊciwoÊci samych neutrin

Arthur B. McDonald, Joshua R. Klein i David L. Wark

22 ÂWIAT NAUKI MAJ 2003

s∏onecznych

rozwiàzana

Badanie zjawisk zachodzàcych w S∏oƒcu za pomocà umieszczonego dwa kilometry pod

ziemià detektora wielkoÊci dziesi´ciopi´trowego budynku mo˝e si´ wydaç nieco dziwne.

Jednak w∏aÊnie dopiero w ten sposób uda∏o si´ rozszyfrowaç

zagadk´ dr´czàcà fizyków od dobrych kilkudziesi´ciu lat. Ju˝

bowiem w 1920 roku angielski fizyk Arthur Eddington po-

stawi∏ hipotez´, ˝e êród∏em energii s∏onecznej sà zachodzàce

w naszej gwieêdzie procesy syntezy termojàdrowej. Kiedy

jednak w latach szeÊçdziesiàtych zacz´to prowadziç ekspe-

rymenty polegajàce na badaniu trudno uchwytnych czàstek,

neutrin, b´dàcych charakterystycznym produktem ubocznym

tych reakcji, to okaza∏o si´, ˝e obserwuje si´ jedynie u∏amek

ich przewidywanej liczby. I tak by∏o a˝ do ubieg∏ego roku,

kiedy wyniki uzyskane w Sudbury Neutrino Observatory

(SNO) w Ontario pozwoli∏y wreszcie rozwiàzaç t´ ∏amig∏ów-

k´ i w pe∏ni potwierdziç sugesti´ Eddingtona.

SNO, podobnie jak inne podziemne laboratoria badajàce

S∏oƒce, zosta∏o zaprojektowane przede wszystkim do obserwa-

cji neutrin powstajàcych w ogromnych iloÊciach w samym

wn´trzu naszej gwiazdy. W odró˝nieniu jednak od ekspery-

mentów prowadzonych w minionych 30 latach SNO bada od-

dzia∏ywania neutrin s∏onecznych w ci´˝kiej wodzie. Jak wia-

domo, ka˝da czàsteczka tej cieczy zawiera dwa atomy deuteru,

a ka˝de jàdro deuteru w porównaniu z jàdrem wodoru ma

dodatkowy neutron. W∏aÊnie te dodatkowe neutrony pozwala-

jà obserwowaç neutrina s∏oneczne w nowy sposób, a miano-

wicie poprzez jednoczesne badanie wszystkich trzech ich ro-

dzajów, inaczej mówiàc „zapachów”. Korzystajàc z tej mo˝li-

woÊci, fizycy SNO udowodnili, ˝e obserwowany wczeÊniej de-

ficyt neutrin s∏onecznych nie by∏ wynikiem nieprawid∏owo-

Êci w pomiarach ani te˝ niezrozumienia zjawisk zachodzàcych

w S∏oƒcu, lecz nowo odkrytej w∏aÊciwoÊci samych neutrin.

Paradoksalnie potwierdzenie s∏usznoÊci naszej najnowszej

teorii S∏oƒca prowadzi do pierwszego wy∏omu w Modelu

Standardowym fizyki czàstek, czyli w najlepszej obecnie teo-

rii opisujàcej zachowanie tych najmniejszych cegie∏ek mate-

rii. Wyglàda na to, ˝e lepiej rozumiemy zjawiska zachodzàce

w S∏oƒcu ni˝ funkcjonowanie mikroÊwiata.

Problem z deficytem

PIERWSZY EKSPERYMENT dotyczàcy neutrin s∏onecznych, prze-

prowadzony w po∏owie lat szeÊçdziesiàtych przez Raymon-

da Davisa, Jr., z University of Pennsylvania i jego wspó∏pra-

cowników, mia∏ byç triumfalnym potwierdzeniem teorii, ˝e

êród∏em energii s∏onecznej jest synteza termojàdrowa i za-

poczàtkowaç nowà dziedzin´ badaƒ, w której neutrina b´dà

dostarczaç informacji o S∏oƒcu. Uk∏ad doÊwiadczalny Davi-

sa mieÊci∏ si´ w kopalni z∏ota „Homestake” w pobli˝u miejsco-

woÊci Lead w Dakocie Po∏udniowej, a do wykrywania neu-

trin pos∏u˝ono si´ w nim technikà radiochemicznà. Detektor

zawiera∏ 615 ton ciek∏ego tetrachloroetylenu (Êrodka stosowa-

nego w pralniach chemicznych); atomy chloru tej cieczy w

wyniku oddzia∏ywaƒ z neutrinami przechodzi∏y w atomy ar-

gonu. Z obliczeƒ wynika∏o, ˝e powinien powstawaç jeden

atom argonu na dob´, tymczasem Davis obserwowa∏ jeden

atom na dwie i pó∏ doby. (W 2002 roku Davis wspólnie z Ma-

satoshim Koshibà z Uniwersytetu Tokijskiego otrzyma∏ Na-

grod´ Nobla za pionierskie prace z fizyki neutrin.) Wszystkie

kolejne eksperymenty, które prowadzono przez 30 lat, wyko-

rzystujàc ró˝ne techniki doÊwiadczalne, przynosi∏y podobne

rezultaty. Docierajàcych ze S∏oƒca neutrin by∏o zawsze znacz-

nie mniej, ni˝ wynika∏o z przewidywaƒ. W zale˝noÊci od ener-

gii obserwowanych neutrin – od jednej trzeciej do trzech pià-

tych oczekiwanej liczby. Nie rozumiejàc, dlaczego prze-

widywania i pomiary tak si´ od siebie ró˝nià, fizycy musieli

przynajmniej na jakiÊ czas zapomnieç o badaniu wn´trza

S∏oƒca za pomocà obserwacji neutrin.

Podczas gdy fizycy doÊwiadczalni przeprowadzali swoje

neutrinowe eksperymenty, teoretycy udoskonalali modele s∏u-

˝àce przewidywaniom wielkoÊci produkcji neutrin s∏onecz-

nych. Teoretyczne modele sà z∏o˝one, ale opierajà si´ na kil-

ku tylko za∏o˝eniach: êród∏em energii S∏oƒca sà reakcje

jàdrowe zmieniajàce w nim zawartoÊç poszczególnych pier-

wiastków, wyzwalana energia powoduje skierowanie na ze-

wnàtrz ciÊnienia równowa˝onego przez si∏y grawitacyjne,

Przeglàd / Oscylujàce neutrina

n Ju˝ od lat szeÊçdziesiàtych w podziemnych eksperymentach

znajdowano du˝o mniej elektronowych neutrin ze S∏oƒca,

ni˝ przewidywa∏a teoria. Tajemnicze zjawisko nazwano

problemem neutrin s∏onecznych.

n W 2002 roku obserwacje prowadzone w Sudbury Neutrino

Observatory (SNO) pozwoli∏y rozwiàzaç problem neutrin

s∏onecznych. Okaza∏o si´, ˝e wiele spoÊród wytworzonych

wewnàtrz S∏oƒca neutrin elektronowych przed dotarciem

do Ziemi zmienia zapach, co sprawia, ˝e we wczeÊniejszych

eksperymentach nie mo˝na by∏o ich znaleêç.

n Wynik SNO oznacza, ˝e rozumiemy mechanizm wytwarzania

energii s∏onecznej, a tak˝e ˝e neutrina – d∏ugo uwa˝ane za czàstki

o zerowej masie – majà masy ró˝ne od zera. Model Standardowy

fizyki czàstek, który w innych przypadkach nadzwyczaj dobrze si´

sprawdza, wymaga zatem zmodyfikowania.

24 ÂWIAT NAUKI MAJ 2003

RURY PONAD 9500 FOTOPOWIELACZY, pokrywajàce wn´trze geodezyjnej sfery o Êrednicy 18 m, stanowià oczy Sudbury Neutrino Observato-

ry. Otaczajà i obserwujà akrylowy sferyczny zbiornik o Êrednicy 12 m, zawierajàcy 1000 ton ci´˝kiej wody. Ka˝da rura potrafi zarejestrowaç

nawet pojedynczy foton. Ca∏a konstrukcja zanurzona jest w ultraczystej zwyk∏ej wodzie wype∏niajàcej jaskini´ wykutà w ska∏ach (2 km

pod ziemià). Wszystkie materia∏y u˝yte w detektorze muszà mieç niezwykle niskà zawartoÊç naturalnych pierwiastków promieniotwórczych,

aby uniknàç zasypania fotopowielaczy fa∏szywymi sygna∏ami, imitujàcymi oddzia∏ywania neutrin.

MAJ 2003 ÂWIAT NAUKI 25

POLOWANIE NA KAPRYÂNE NEUTRINA

JAK NEUTRINA OSCYLUJÑ

Neutrino elektronowe ( z lewej ) w rzeczywistoÊci jest superpozycjà neutrina typu 1 i neutrina typu 2,

których fale kwantowe pozostajà w fazie. Poniewa˝ fala typu 1 i fala typu 2 majà ró˝ne d∏ugoÊci,

po przejÊciu pewnej odleg∏oÊci przestajà byç w fazie, tworzàc neutrino mionowe lub taonowe

( Êrodek ). W dalszej swej w´drówce neutrino z powrotem oscyluje w neutrino elektronowe ( z prawej ).

NEUTRINO TYPU 1

NEUTRINO

ELEKTRONOWE

NEUTRINO

ELEKTRONOWE

NEUTRINO TYPU 2

NEUTRINO MIONOWE LUB TAONOWE

POWSTANIE

NEUTRINA

ELEKTRONOWEGO

NEUTRINA

ELEKTRONOWE

NEUTRINA MIONOWE

LUB TAONOWE

WYNIKI

DZIENNE

WYNIKI

NOCNE

OSCYLACJE W S¸O¡CU OSCYLACJE W PRÓ˚NI

OSCYLACJE W ZIEMI

GDZIE NEUTRINA OSCYLUJÑ

Wytworzone we wn´trzu S∏oƒca neutrina elektronowe mogà oscylowaç jeszcze w S∏oƒcu lub po wyjÊciu z niego podczas

oÊmiominutowej w´drówki do Ziemi. To, które oscylacje zachodzà, zale˝y od takich szczegó∏ów, jak ró˝nice mas

i stopieƒ zmieszania neutrin typu 1 i typu 2. Dodatkowe oscylacje mogà te˝ nast´powaç przy przejÊciu przez Ziemi´,

co powinno si´ objawiç ró˝nicà w wynikach pomiarów w dzieƒ i w nocy.

RZECZYWISTE DANE INTERPRETOWANE

JAKO PRZYPADEK ODDZIA¸YWANIA NEUTRIN

JAK SNO ZNAJDUJE NEUTRINA

Sudbury Neutrino Observatory, w skrócie SNO ( na stronie

obok ), rejestruje neutrino dzi´ki charakterystycznemu

pierÊcieniowi promieniowania Czerenkowa emitowanego

przez poruszajàcy si´ z du˝à pr´dkoÊcià elektron. Neutrino

wytwarza taki energetyczny elektron w ci´˝kiej wodzie SNO

( du˝a niebieska kula ) na jeden z trzech sposobów.

W procesie rozbicia deuteronu ( a ) neutrino ( niebieski )

rozszczepia jàdro deuteru na wchodzàce w jego sk∏ad:

proton ( fioletowy ) i neutron ( zielony ). Neutron ∏àczy si´

z innym deuteronem, wyzwalajàc promieniowanie

gamma ( falista linia ), które z kolei uwalnia elektron ( ró˝owy )

wytwarzajàcy rejestrowane w detektorze promieniowanie

Czerenkowa ( ˝ó∏ty ). W reakcji absorpcji neutrina ( b ) neutron,

poch∏aniajàc neutrino, przechodzi w proton i energetyczny

elektron. W ten sposób mogà byç poch∏aniane wy∏àcznie

neutrina elektronowe. Troch´ rzadziej dochodzi

do bezpoÊredniego zderzenia neutrina z elektronem ( c ).

Pochodzàcy z promieni kosmicznych mion ( czerwony )

ró˝ni si´ od neutrina iloÊcià promieniowania Czerenkowa,

jakà wytwarza, oraz tym, gdzie je wytwarza – zarówno

na zewnàtrz, jak i wewnàtrz detektora. Liczba mionów

zredukowana jest do dajàcej si´ kontrolowaç iloÊci

dzi´ki umieszczeniu detektora na g∏´bokoÊci 2 km pod ziemià.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: