Fizyka dla każdego

Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald zdobyli tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie oscylacji neutrin, co wskazuje, że mają one masę - ogłosił w Sztokholmie Komitet Noblowski

- To odkrycie zmieniło nasze rozumienie najgłębszych tajników materii i może się okazać kluczowe dla naszego pojmowania Wszechświata - uzasadnił swoją decyzję Komitet Noblowski.

Neutrina powstają w reaktorach jądrowych, w reakcjach termojądrowych we wnętrzu Słońca, w ziemskiej atmosferze (pod wpływem promieniowania kosmicznego).  

Bardzo silny strumień neutrin powstaje w wybuchach gwiazd supernowych. Po raz pierwszy taki strumień zarejestrowano z  wybuchu supernowej w Wielkim Obłoku Magellana (jednej z najbliższych nam galaktyk, odległej o 160 tysięcy lat świetlnych). O dziwo, strumień neutrin dotarł do Ziemi kilka minut przed strumieniem fotonów: światło przelatuje przez materię międzygwiezdną nieco wolniej niż przez próżnię a neutrina podróżują (zapewne) z prędkością światła w próżni, 299792,458 km/s. Na zdjęciu obok widzimy pozostałość SN 1987A sfotografowaną przez teleskop Hubble'a.

Neutrina powstają też w naszych organizmach np. podczas rozpadu potasu K⁴⁰, pierwiastka będącego jednym ze składników płynów ustrojowych i kości.

Schemat rozpadu β

Neutrina (także antyneutrina) nie posiadają ładunku i jeszcze do niedawna uważano, że nie posiadają masy. I w odróżnieniu od cząstek światła, fotonów, bardzo słabo oddziałują z materią. Neutrina przelatują przez wszystko, nawet przez planety i gwiazdy prawie zupełnie z nimi nie oddziałując*. Nic więc dziwnego, że detektor, który wykrywałby choćby niewielki procent z nich, musi być ogromny.

Super-Kamiokande - detektor neutrin (promieniowania Czerenkowa) o masie 50 000 ton, który znajduje się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii. Jest to zbiornik z czystą wodą, a przelot neutrin jest rejestrowany przez powielacze fotonów (na zdjęciu wyglądające jak gigantyczne oczy). 

Profesor Takaaki Kajita z Uniwersytetu Tokijskiego wykazał, że powstające w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego neutrina zmieniają „tożsamość” tzn. z neutrin z elektronowych zmieniają się w neutrina mionowe i taonowe**, zanim trafią do Super–Kamiokande.  Jest to tak zwane zjawisko oscylacji. ** Zob. Twitter ZDF: "Cząstki elementarne"

W tamtym czasie (1998) uczeni nie wiedzieli dlaczego Super-K rejestruje o wiele mniej neutrin pochodzących ze Słońca, niż wynikałoby to z teorii. Zastanawiano się, gdzie one znikają. A może teoria jest nieprawidłowa?

Rozwiązania udzielił zespół Kanadyjczyka Arthura B. McDonalda z Uniwersytetu Queen's w Kingston. Jego grupa wykazała, że neutrina elektronowe pochodzące ze Słońca nigdzie nie znikają, a tak, jak w przypadku badań Takaakiego zmieniają się - oscylują. Super-K potrafił zarejestrować tylko jedną z trzech form tych cząstek - stąd niezgodność teorii z doświadczeniem.

Zjawisko oscylacji neutrin może przebiegać tylko przy założeniu, że ich masa jest niezerowa.

Udowodnienie tego, że masa neutrin jest niezerowa oznacza, że Model Standardowy (wyjaśnia wzajemne oddziaływania cząstek tworzących Wszechświat) będzie musiał przejść pewne modyfijacje.

Zobacz plakat o neutrinach (C) GK 2003-2005

Klikając w poniższą grafikę przeczytasz informacje o tegorocznych noblistach z fizyki bezpośredno z oficjalnej strony Nagrody Nobla.

* Dokładniejsze dane na temat oddziaływania neutrin o różnych energiach z materią znajdzie Czytelnik w artykule G. Karwasza "Niezbyt krótka nota o cząstkach elmentarnych" w numerze 5/2015 Fizyki w Szkole.

(C) Tekst K. Służewski, K. Rochowicz, G. Karwasz

The 2015 Nobel Prize for Physics has been awarded to Takaaki Kajita and Arthur B McDonald, for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass.

In recognition of their landmark achievements, IOP Publishing are making available a special Nobel Prize collection containing papers by Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald, including a comprehensive review article by Professor Kajita describing the discovery of neutrino oscillation.

These articles published in the Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, New Journal of Physics, Physica Scripta and Reports on Progress in Physics will be free to read until the end of 2015.

To find out about the latest developments in neutrino physics, check out the Focus issue on Neutrino Physics edited by Professor Kajita in New Journal of Physics.