ნეიტრინო არის ელემენტარული ნაწილაკი, რომელიც ძალიან ჰგავს ელექტრონს, მაგრამ არ აქვს ელექტრული მუხტი. მას აქვს ძალიან მცირე მასა, რომელიც შეიძლება იყოს ნულიც კი. ნეიტრინოს სიჩქარე ასევე დამოკიდებულია მასაზე. ნაწილაკისა და სინათლის ჩამოსვლის დროში სხვაობა არის 0,0006% (± 0,0012%). 2011 წელს, OPERA-ს ექსპერიმენტის დროს, აღმოჩნდა, რომ ნეიტრინოების სიჩქარე აღემატება სინათლის სიჩქარეს, მაგრამ დამოუკიდებელმა გამოცდილებამ ეს არ დაადასტურა.
აუცილებელი ნაწილაკი
ეს არის ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ნაწილაკი სამყაროში. ვინაიდან ის ძალიან ცოტა ურთიერთქმედებს მატერიასთან, მისი აღმოჩენა წარმოუდგენლად რთულია. ელექტრონები და ნეიტრინოები არ მონაწილეობენ ძლიერ ბირთვულ ურთიერთქმედებებში, მაგრამ თანაბრად მონაწილეობენ სუსტებში. ამ თვისებების მქონე ნაწილაკებს ლეპტონები ეწოდება. ელექტრონის (და მისი ანტინაწილაკის, პოზიტრონის) გარდა, დამუხტულ ლეპტონებს მიეკუთვნება მიონი (200 ელექტრონული მასა), ტაუ (3500 ელექტრონული მასა) და მათი ანტინაწილაკები. მათ ასე უწოდებენ: ელექტრონ-, მუონ- და ტაუ-ნეიტრინოებს. თითოეულ მათგანს აქვს ანტი-მატერიალური კომპონენტი, რომელსაც ეწოდება ანტინეიტრინო.
მუონს და ტაუს, ელექტრონის მსგავსად, თან ახლავს ნაწილაკები. ეს არის მუონები და ტაუ ნეიტრინოები. სამი ტიპის ნაწილაკები ერთმანეთისგან განსხვავდება.მაგალითად, როდესაც მუონური ნეიტრინოები ურთიერთქმედებენ სამიზნეებთან, ისინი ყოველთვის წარმოქმნიან მუონებს, არასოდეს ტაუს ან ელექტრონებს. ნაწილაკების ურთიერთქმედებისას, მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრონები და ელექტრონ-ნეიტრინოები შეიძლება შეიქმნას და განადგურდეს, მათი ჯამი უცვლელი რჩება. ეს ფაქტი იწვევს ლეპტონების სამ ტიპად დაყოფას, რომელთაგან თითოეულს აქვს დამუხტული ლეპტონი და თანმხლები ნეიტრინო.
ამ ნაწილაკების აღმოსაჩენად საჭიროა ძალიან დიდი და უკიდურესად მგრძნობიარე დეტექტორები. როგორც წესი, დაბალი ენერგიის ნეიტრინოები მატერიასთან ურთიერთქმედებამდე მრავალი სინათლის წლის მანძილზე იმოგზაურებენ. შესაბამისად, მათთან ყველა სახმელეთო ექსპერიმენტი ეყრდნობა მათი მცირე წილადის გაზომვას, რომელიც ურთიერთქმედებს გონივრული ზომის ჩამწერებთან. მაგალითად, სუდბერის ნეიტრინო ობსერვატორიაში, რომელიც შეიცავს 1000 ტონა მძიმე წყალს, დაახლოებით 1012 მზის ნეიტრინო წამში გადის დეტექტორში. და დღეში მხოლოდ 30 გვხვდება.
აღმოჩენის ისტორია
ვოლფგანგ პაულიმ პირველად გამოაცხადა ნაწილაკების არსებობა 1930 წელს. იმ დროს წარმოიშვა პრობლემა, რადგან ჩანდა, რომ ენერგია და კუთხური იმპულსი არ იყო შენახული ბეტა დაშლისას. მაგრამ პაულიმ აღნიშნა, რომ თუ ნეიტრინო ნეიტრინოს არაურთიერთმა ნაწილაკი გამოიყოფა, მაშინ ენერგიის შენარჩუნების კანონი დაცული იქნება. იტალიელმა ფიზიკოსმა ენრიკო ფერმიმ შეიმუშავა ბეტა დაშლის თეორია 1934 წელს და დაარქვა ნაწილაკს სახელი.
მიუხედავად ყველა პროგნოზისა, 20 წლის განმავლობაში ნეიტრინოები ექსპერიმენტულად ვერ იქნა აღმოჩენილი მატერიასთან სუსტი ურთიერთქმედების გამო. ვინაიდან ნაწილაკები არ არის ელექტრულიდამუხტული, მათზე არ მოქმედებს ელექტრომაგნიტური ძალები და, შესაბამისად, ისინი არ იწვევენ მატერიის იონიზაციას. გარდა ამისა, ისინი რეაგირებენ მატერიასთან მხოლოდ უმნიშვნელო სიძლიერის სუსტი ურთიერთქმედებით. მაშასადამე, ისინი არიან ყველაზე გამჭოლი სუბატომური ნაწილაკები, რომლებსაც შეუძლიათ გაიარონ ატომების დიდი რაოდენობა ყოველგვარი რეაქციის გარეშე. ამ ნაწილაკებიდან 10 მილიარდიდან მხოლოდ 1, რომელიც გადის მატერიაში დედამიწის დიამეტრის ტოლ მანძილზე, რეაგირებს პროტონთან ან ნეიტრონთან.
საბოლოოდ, 1956 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსთა ჯგუფმა ფრედერიკ რეინსის ხელმძღვანელობით გამოაცხადა ელექტრონი-ანტინეიტრინოს აღმოჩენა. მის ექსპერიმენტებში ბირთვული რეაქტორიდან გამოსხივებული ანტინეიტრინოები ურთიერთქმედებენ პროტონებთან ნეიტრონებისა და პოზიტრონების წარმოქმნით. ამ უკანასკნელი ქვეპროდუქტების უნიკალური (და იშვიათი) ენერგეტიკული ნიშნები ადასტურებს ნაწილაკების არსებობას.
დამუხტული მიონის ლეპტონების აღმოჩენა გახდა მეორე ტიპის ნეიტრინოს - მიონის იდენტიფიკაციის საწყისი წერტილი. მათი იდენტიფიკაცია 1962 წელს განხორციელდა ნაწილაკების ამაჩქარებლის ექსპერიმენტის შედეგების საფუძველზე. მაღალი ენერგიის მუონური ნეიტრინოები წარმოიქმნა პი-მეზონების დაშლის შედეგად და იგზავნებოდა დეტექტორში ისე, რომ შესაძლებელი იყო მათი რეაქციების შესწავლა მატერიასთან. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი არარეაქტიულნი არიან, ისევე როგორც ამ ნაწილაკების სხვა ტიპები, აღმოჩნდა, რომ იშვიათ შემთხვევებში, როდესაც ისინი რეაგირებენ პროტონებთან ან ნეიტრონებთან, მუონ-ნეიტრინოები ქმნიან მიონებს, მაგრამ არასდროს ელექტრონებს. 1998 წელს ამერიკელი ფიზიკოსები ლეონ ლედერმანი, მელვინ შვარცი და ჯეკ სტეინბერგერიმიიღო ნობელის პრემია ფიზიკაში მუონ-ნეიტრინოს იდენტიფიკაციისთვის.
1970-იანი წლების შუა ხანებში ნეიტრინო ფიზიკა შეივსო სხვა ტიპის დამუხტული ლეპტონებით - ტაუ. ტაუ ნეიტრინო და ტაუ ანტინეიტრინო აღმოჩნდა დაკავშირებული ამ მესამე დამუხტულ ლეპტონთან. 2000 წელს ეროვნული ამაჩქარებლის ლაბორატორიის ფიზიკოსები. ენრიკო ფერმიმ მოახსენა პირველი ექსპერიმენტული მტკიცებულება ამ ტიპის ნაწილაკების არსებობის შესახებ.
მასა
ყველა ტიპის ნეიტრინოს აქვს მასა, რომელიც ბევრად ნაკლებია, ვიდრე მათი დამუხტული ანალოგი. მაგალითად, ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ელექტრონ-ნეიტრინოს მასა უნდა იყოს ელექტრონის მასის 0,002%-ზე ნაკლები და რომ სამი სახეობის მასების ჯამი უნდა იყოს 0,48 ევ-ზე ნაკლები. მრავალი წლის განმავლობაში ჩანდა, რომ ნაწილაკების მასა იყო ნული, თუმცა არ არსებობდა დამაჯერებელი თეორიული მტკიცებულება, თუ რატომ უნდა ყოფილიყო ასე. შემდეგ, 2002 წელს, სუდბერის ნეიტრინო ობსერვატორიამ წარმოადგინა პირველი პირდაპირი მტკიცებულება იმისა, რომ მზის ბირთვში ბირთვული რეაქციების შედეგად გამოსხივებული ელექტრონ-ნეიტრინოები ცვლის მასში გადაადგილებისას. ნეიტრინოების ასეთი „რხევები“შესაძლებელია, თუ ერთი ან რამდენიმე ტიპის ნაწილაკს აქვს მცირე მასა. მათი კვლევები დედამიწის ატმოსფეროში კოსმოსური სხივების ურთიერთქმედების შესახებ ასევე მიუთითებს მასის არსებობაზე, მაგრამ შემდგომი ექსპერიმენტებია საჭირო მის უფრო ზუსტად დასადგენად.
წყაროები
ნეიტრინოების ბუნებრივი წყაროებია ელემენტების რადიოაქტიური დაშლა დედამიწის ნაწლავებში, რომელშიცგამოიყოფა დაბალი ენერგიის ელექტრონების-ანტინეიტრინოების დიდი ნაკადი. სუპერნოვა ასევე არის უპირატესად ნეიტრინო ფენომენი, ვინაიდან მხოლოდ ამ ნაწილაკებს შეუძლიათ შეაღწიონ კოლაფსირებულ ვარსკვლავში წარმოქმნილ სუპერმკვრივ მასალაში; ენერგიის მხოლოდ მცირე ნაწილი გარდაიქმნება სინათლედ. გამოთვლები აჩვენებს, რომ მზის ენერგიის დაახლოებით 2% არის ნეიტრინოების ენერგია, რომელიც წარმოიქმნება თერმობირთვული შერწყმის რეაქციების დროს. სავარაუდოა, რომ სამყაროს ბნელი მატერიის უმეტესი ნაწილი შედგება დიდი აფეთქების დროს წარმოქმნილი ნეიტრინოებისგან.
ფიზიკის პრობლემები
ნეიტრინოსთან და ასტროფიზიკასთან დაკავშირებული ველები მრავალფეროვანია და სწრაფად ვითარდება. მიმდინარე კითხვები, რომლებიც იზიდავს დიდი რაოდენობით ექსპერიმენტულ და თეორიულ ძალისხმევას, არის შემდეგი:
- რა არის სხვადასხვა ნეიტრინოს მასა?
- როგორ გავლენას ახდენენ ისინი დიდი აფეთქების კოსმოლოგიაზე?
- ისინი მერყეობენ?
- შეუძლია თუ არა ერთი ტიპის ნეიტრინოს გარდაქმნა მეორეში, როდესაც ისინი მოგზაურობენ მატერიასა და სივრცეში?
- სხვავდებიან თუ არა ნეიტრინოები მათი ანტინაწილაკებისგან?
- როგორ იშლება ვარსკვლავები და ქმნიან სუპერნოვას?
- რა როლი აქვს ნეიტრინოებს კოსმოლოგიაში?
ერთ-ერთი დიდი ხნის განსაკუთრებული ინტერესის პრობლემაა ეგრეთ წოდებული მზის ნეიტრინოს პრობლემა. ეს სახელწოდება მიუთითებს იმ ფაქტზე, რომ ბოლო 30 წლის განმავლობაში ჩატარებული რამდენიმე მიწისზედა ექსპერიმენტის დროს, თანმიმდევრულად შეინიშნებოდა ნაკლები ნაწილაკები, ვიდრე საჭიროა მზისგან გამოსხივებული ენერგიის წარმოებისთვის. მისი ერთ-ერთი შესაძლო გამოსავალი არის რხევა, ანუ ელექტრონული ტრანსფორმაციადედამიწაზე მოგზაურობისას ნეიტრინოები მიონებად ან ტაუად იქცევა. ვინაიდან გაცილებით რთულია დაბალი ენერგიის მიონის ან ტაუ ნეიტრინოების გაზომვა, ამ სახის ტრანსფორმაციამ შეიძლება ახსნას რატომ არ ვაკვირდებით დედამიწაზე ნაწილაკების სწორ რაოდენობას.
მეოთხე ნობელის პრემია
2015 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში გადაეცათ ტაკააკი კაჯიტას და არტურ მაკდონალდს ნეიტრინოს მასის აღმოჩენისთვის. ეს იყო მეოთხე ასეთი ჯილდო, რომელიც დაკავშირებულია ამ ნაწილაკების ექსპერიმენტულ გაზომვებთან. ზოგს შეიძლება გაუკვირდეს, რატომ უნდა ვიზრუნოთ ასე ძალიან რაღაცაზე, რომელიც ძლივს ურთიერთქმედებს ჩვეულებრივ მატერიასთან.
ის ფაქტი, რომ ჩვენ შეგვიძლია აღმოვაჩინოთ ეს ეფემერული ნაწილაკები, ადასტურებს ადამიანის გონიერებას. ვინაიდან კვანტური მექანიკის წესები ალბათურია, ჩვენ ვიცით, რომ მიუხედავად იმისა, რომ თითქმის ყველა ნეიტრინო გადის დედამიწაზე, ზოგიერთი მათგანი ურთიერთქმედებს მასთან. საკმარისად დიდი დეტექტორი ამის აღმოსაჩენად.
პირველი ასეთი მოწყობილობა აშენდა სამოციან წლებში სამხრეთ დაკოტას მაღაროში. შახტი 400 ათასი ლიტრი გამწმენდი სითხით იყო სავსე. საშუალოდ, ყოველდღიურად ერთი ნეიტრინოს ნაწილაკი ურთიერთქმედებს ქლორის ატომთან და აქცევს მას არგონად. წარმოუდგენელია, რაიმონდ დევისმა, რომელიც დეტექტორზე პასუხისმგებელი იყო, გამოიგონა არგონის ამ რამდენიმე ატომის აღმოსაჩენად და ოთხი ათეული წლის შემდეგ, 2002 წელს, მას ნობელის პრემია მიენიჭა ამ საოცარი ტექნიკური წარმატებისთვის.
ახალი ასტრონომია
რადგან ნეიტრინოები ძალიან სუსტად ურთიერთობენ, მათ შეუძლიათ დიდი მანძილების გავლა. ისინი გვაძლევენ შესაძლებლობას შევხედოთ ისეთ ადგილებს, რომლებსაც სხვაგვარად ვერასდროს ვიხილავდით. დევისის აღმოჩენილი ნეიტრინოები წარმოიქმნა ბირთვული რეაქციების შედეგად, რომლებიც მიმდინარეობდა მზის ცენტრში და შეძლეს გაექცნენ ამ წარმოუდგენლად მკვრივ და ცხელ ადგილს მხოლოდ იმიტომ, რომ ისინი ძლივს ურთიერთობენ სხვა მატერიასთან. შესაძლებელია დედამიწიდან ასი ათასი სინათლის წლის მანძილზე ფეთქებადი ვარსკვლავის ცენტრიდან მფრინავი ნეიტრინოც კი.
გარდა ამისა, ეს ნაწილაკები შესაძლებელს ხდის სამყაროს დაკვირვებას ძალიან მცირე მასშტაბით, ბევრად უფრო მცირე, ვიდრე ჟენევის დიდი ადრონული კოლაიდერი, რომელმაც აღმოაჩინა ჰიგსის ბოზონი. სწორედ ამ მიზეზით ნობელის კომიტეტმა გადაწყვიტა ნობელის პრემიის მინიჭება კიდევ ერთი ტიპის ნეიტრინოს აღმოჩენისთვის.
იდუმალი დაკარგული
როდესაც რეი დევისმა დააკვირდა მზის ნეიტრინოებს, მან აღმოაჩინა მოსალოდნელი რაოდენობის მხოლოდ მესამედი. ფიზიკოსთა უმეტესობა თვლიდა, რომ ამის მიზეზი მზის ასტროფიზიკის ცუდი ცოდნა იყო: შესაძლოა, ვარსკვლავის ინტერიერის მოდელები გადაჭარბებულად აფასებდნენ მასში წარმოქმნილი ნეიტრინოების რაოდენობას. მიუხედავად ამისა, წლების განმავლობაში, მიუხედავად იმისა, რომ მზის მოდელები გაუმჯობესდა, დეფიციტი შენარჩუნდა. ფიზიკოსებმა ყურადღება სხვა შესაძლებლობაზე გაამახვილეს: პრობლემა შეიძლება დაკავშირებული იყოს ამ ნაწილაკების ჩვენს გაგებასთან. მაშინდელი გაბატონებული თეორიის მიხედვით, მათ არ ჰქონდათ მასა. მაგრამ ზოგიერთი ფიზიკოსი ამტკიცებს, რომ ნაწილაკებს სინამდვილეში უსასრულოდ მცირე იყომასა და ეს მასა იყო მათი დეფიციტის მიზეზი.
სამსახიანი ნაწილაკი
ნეიტრინოს რხევების თეორიის მიხედვით, ბუნებაში არსებობს სამი განსხვავებული ტიპის ნეიტრინო. თუ ნაწილაკს აქვს მასა, მაშინ, როდესაც ის მოძრაობს, ის შეიძლება შეიცვალოს ერთი ტიპიდან მეორეზე. სამი ტიპი - ელექტრონი, მუონი და ტაუ - მატერიასთან ურთიერთობისას შეიძლება გარდაიქმნას შესაბამის დამუხტულ ნაწილაკად (ელექტრონს, მუონს ან ტაუ ლეპტონს). „რხევა“ხდება კვანტური მექანიკის გამო. ნეიტრინოს ტიპი არ არის მუდმივი. დროთა განმავლობაში იცვლება. ნეიტრინო, რომელმაც არსებობა დაიწყო ელექტრონის სახით, შეიძლება გადაიქცეს მიონად, შემდეგ კი უკან. ამრიგად, დედამიწისკენ მიმავალ გზაზე მზის ბირთვში წარმოქმნილი ნაწილაკი პერიოდულად შეიძლება გადაიქცეს მუონ-ნეიტრინოდ და პირიქით. ვინაიდან დევისის დეტექტორს შეეძლო მხოლოდ ელექტრონული ნეიტრინოს აღმოჩენა, რომელსაც ქლორის არგონად ბირთვული ტრანსმუტაცია შეეძლო, შესაძლებელი ჩანდა, რომ დაკარგული ნეიტრინოები სხვა ტიპებად გადაქცეულიყო. (როგორც ირკვევა, ნეიტრინოები ირხევიან მზის შიგნით და არა დედამიწისკენ მიმავალ გზაზე.)
კანადის ექსპერიმენტი
ამის შესამოწმებლად ერთადერთი გზა იყო დეტექტორის აგება, რომელიც მუშაობდა სამივე ტიპის ნეიტრინოსთვის. 1990-იანი წლებიდან მოყოლებული, არტურ მაკდონალდი Queen's Ontario University-დან ხელმძღვანელობდა გუნდს, რომელმაც ეს გააკეთა მაღაროში Sudbury, Ontario. დაწესებულებაში კანადის მთავრობისგან ნასესხები ტონა მძიმე წყალი იყო. მძიმე წყალი არის წყლის იშვიათი, მაგრამ ბუნებრივად არსებული ფორმა, რომელშიც წყალბადი შეიცავს ერთ პროტონს,შეცვალა მისი მძიმე იზოტოპი დეიტერიუმი, რომელიც შეიცავს პროტონს და ნეიტრონს. კანადის მთავრობამ მოაგროვა მძიმე წყალი, რადგან ის გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი ატომურ რეაქტორებში. სამივე ტიპის ნეიტრინოს შეეძლო დეიტერიუმის განადგურება პროტონისა და ნეიტრონის წარმოქმნის მიზნით, შემდეგ კი ნეიტრონები დაითვალეს. დეტექტორმა დევისთან შედარებით ნაწილაკების დაახლოებით სამჯერ მეტი დაარეგისტრირა - ზუსტად იმ რიცხვს, რაც მზის საუკეთესო მოდელების მიერ იყო ნაწინასწარმეტყველები. ეს ვარაუდობს, რომ ელექტრონ-ნეიტრინოს შეეძლო რხევა სხვა ტიპებად.
იაპონური ექსპერიმენტი
დაახლოებით ამავე დროს, ტოკიოს უნივერსიტეტის ტაკააკი კაჯიტა კიდევ ერთ გასაოცარ ექსპერიმენტს ატარებდა. იაპონიაში მაღაროში დამონტაჟებულმა დეტექტორმა დაარეგისტრირა ნეიტრინოები, რომლებიც მოდის არა მზის ნაწლავებიდან, არამედ ზედა ატმოსფეროდან. როდესაც კოსმოსური სხივების პროტონები ატმოსფეროს ეჯახება, წარმოიქმნება სხვა ნაწილაკების წვიმა, მათ შორის მუონური ნეიტრინოები. მაღაროში მათ წყალბადის ბირთვები მიონებად აქციეს. კაჯიტას დეტექტორს შეეძლო დაენახა ნაწილაკები ორი მიმართულებით. ზოგი ატმოსფეროდან მოდიოდა ზემოდან, ზოგი კი ქვემოდან გადავიდა. ნაწილაკების რაოდენობა განსხვავებული იყო, რაც მიუთითებდა მათ განსხვავებულ ბუნებაზე - ისინი იმყოფებოდნენ რხევის ციკლის სხვადასხვა წერტილში.
რევოლუცია მეცნიერებაში
ეს ყველაფერი ეგზოტიკური და საოცარია, მაგრამ რატომ იპყრობს რხევები და ნეიტრინო მასები ამდენ ყურადღებას? მიზეზი მარტივია. მეოცე საუკუნის ბოლო ორმოცდაათი წლის განმავლობაში შემუშავებული ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში,რომელიც სწორად აღწერდა ყველა სხვა დაკვირვებას ამაჩქარებლებში და სხვა ექსპერიმენტებში, ნეიტრინო უნდა ყოფილიყო მასის გარეშე. ნეიტრინოს მასის აღმოჩენა იმაზე მეტყველებს, რომ რაღაც აკლია. სტანდარტული მოდელი არ არის სრულყოფილი. დაკარგული ელემენტები ჯერ კიდევ არ არის აღმოჩენილი, დიდი ადრონული კოლაიდერის ან სხვა ჯერ კიდევ შეუქმნილი მანქანის მეშვეობით.
