Neutrini – čestice koje ne ostavljaju trag, a menjaju sve
Neutrino je čestica koja gotovo da nije ovde. Nema električni naboj, skoro da nema masu, pa čak ni stalni identitet: postoji u tri suptilno različita oblika, i svaka pojedinačna čestica neprekidno prelazi iz jednog u drugi. Oko 500 triliona neutrina uleti u vaše telo svake sekunde, i zatim ponovo izađe bez ikakvog traga. Neutrini tretiraju ostatak Univerzuma s ravnodušnošću.
„Ako pošaljete neutrino ka zidu od olova debljine jedne svetlosne godine, postoji 50 odsto šanse da će neutrino proći pravo kroz njega bez ikakve interakcije“,
kaže Kris Mosi (Chris Mossey), direktor projekta Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) u Fermilabu u Bataviji, Ilinois.
Možda su neutrini ravnodušni prema nama, ali mi nismo ni najmanje ravnodušni prema njima.
Gotovo sedam decenija fizičari prave sve složenije mašine da bi nadmudrili prirodu i detektovali te, naizgled nedetektabilne, čestice. DUNE je najnoviji i najveći od tih uređaja: eksperiment vredan 3,2 milijarde dolara, koji se proteže na 1.300 kilometara, osmišljen da neutrino učini vidljivim kao nikada pre. Mosi, penzionisani kontraadmiral američke mornarice, deo je globalnog tima od više od hiljadu istraživača koji punom parom rade na tome da DUNE postane operativan do 2031. godine.
Putanja neutrina u okviru Eksperimenta duboko podzemnih neutrina (DUNE). Snop protona se proizvodi u akceleratorskom kompleksu Fermi laboratorije, udara u metu i stvara snop neutrina koji prolazi kroz čestični detektor, putujući 800 milja do detektora u Podzemnoj istraživačkoj stanici Sanford. Ljubaznošću: Fermilab
Na prvi pogled, cela ta operacija deluje kao sulud nivo truda uloženog u jurnjavu za duhovima. Opsesija neutrinima, međutim, postaje razumljiva kada shvatite šta oni zapravo predstavljaju. „Često se zateknem kako kolegama objašnjavam: ‘Šta je neutrino?’“, kaže Mosi, čija stručnost nije u fizici, već u nadgledanju ogromnih građevinskih projekata za američku mornaricu. On rado ponavlja svoje sopstveno „obrazovanje“ o neutrinima. „Nauka u DUNE projektu zaista je zadivljujuća. Ona se bavi nekim od najfundamentalnijih pitanja koja pokušavamo da razumemo o Univerzumu: zašto materija postoji? To su pitanja vredna Nobelove nagrade – ako mogu da se razjasne.“
Prema našem sadašnjem razumevanju fizike, Univerzum je rođen u nezamislivo vreloj, intenzivnoj kupki energije: Velikom prasku. Ta energija je trebalo da stvori potpuno jednake količine materije i antimaterije, koje bi se savršeno međusobno uništile. Krajnji rezultat, dakle, trebalo je da bude čisto ništavilo. Umesto toga, dogodilo se nešto izuzetno. Čestice materije brojčano su nadjačale čestice antimaterije, i to za otprilike jednu u deset milijardi. Ta sićušna neravnoteža promenila je sve. Suvišne čestice materije bile su dovoljne da stvore sve galaksije, zvezde, planete i ljude koje vidimo oko sebe.
Baš kao što neutrino gotovo da nije ovde, ni mi gotovo da nismo ovde. Mi smo kosmički ostaci, srećan rezultat nepoznate „pukotine“ u zakonima fizike.
Neobična svojstva neutrina – najupadljivije, njegova promenljiva sposobnost da se pretvara u različite verzije samog sebe – mogla bi da otkriju ključnu asimetriju koja je omogućila materiji da nadvlada antimateriju. Već samo otkriće zašto i kako se ta neravnoteža dogodila bilo bi proboj, ali neutrina možda nisu samo pasivni glasnici iz najranijih trenutaka postojanja Univerzuma. Prema nekim teorijama, neutrini su aktivno učestvovali u samom stvaranju materije, a time i svega što je usledilo nakon Velikog praska. Dakle, mnogo toga zavisi od ovih sićušnih čestica – i od džinovskih mašina koje se grade da bi ih proučavale.
„Želimo da znamo zašto smo ovde – zašto postojimo“, kaže Sem Zeler (Sam Zeller), zamenica direktora projekta DUNE u Fermilabu. „Puno nade polaže se u to da će rezultati DUNE-a dati konačan odgovor.“
Fizičari već dugo polažu velika nadanja u neutrino. Zapravo, to rade još od vremena pre nego što je iko znao da te čestice uopšte postoje.
Počevši od 1914. godine, engleski fizičar Džejms Čedvik (James Chadwick) počeo je da primećuje da se određeni tipovi radioaktivnih atoma, poput ugljenika-14, ponašaju neobično. Tokom vrste spontane nuklearne reakcije poznate kao beta raspad, jezgra tih atoma izbacuju elektrone velikih brzina. Teorijski gledano, emitovani elektroni trebalo je uvek da izlaze na potpuno isti način, noseći sa sobom tačno onoliko energije koliko je izgubljeno iz jezgra. U stvarnosti, elektroni su uvek nosili manje energije. Još gore, odstupanje nije bilo dosledno – ponekad bi nedostajala mala količina energije, a ponekad znatno veća.
Fizičari već dugo polažu velika nadanja u neutrino. Zapravo, to rade još mnogo pre nego što je iko znao da te čestice uopšte postoje.
Počevši od 1914. godine, engleski fizičar Džejms Čedvik počeo je da primećuje da se određeni tipovi radioaktivnih atoma, kao što je ugljenik-14, ponašaju neobično. Tokom spontane nuklearne reakcije poznate kao beta raspad, jezgra tih atoma izbacuju elektrone velikih brzina. Teorijski, ti elektroni trebalo je da uvek izlaze na potpuno isti način, noseći sa sobom tačno onoliko energije koliko je izgubljeno iz jezgra. U stvarnosti, elektroni su uvek imali manjak energije. Još gore, odstupanje nije bilo dosledno – ponekad bi nedostajala mala količina energije, a ponekad znatno veća.
Čedvikovo odstupanje nosilo je uznemirujuću implikaciju: činilo se da radioaktivni atomi krše zakon očuvanja energije – možda najfundamentalniji zakon u čitavoj fizici, koji kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti. Bio je to toliko šokantan rezultat da je poznati danski fizičar Nils Bor sugerisao da poznati zakoni fizike možda više ne važe na subatomskom nivou. Možda očuvanje energije nije strogo pravilo u kvantnoj fizici, već više statistički prosek. U tom pogledu, malo energije može da se “uništi” ovde ili “stvori” tamo, dokle god se ukupni bilans izjednačava.
Mnogi Borovi kolege su se jednostavno nadali da je Čedvik napravio grešku u merenju. Međutim, kada je 1922. objavio iscrpno istraživanje beta raspada, odstupanje je postalo neosporno, a potraga za objašnjenjem još hitnija.
Oni su odbili njegov rad, jer je ‘sadržavao spekulacije suviše udaljene od stvarnosti da bi bile interesantne čitaocu’.
Na kraju, u decembru 1930, austrijski fizičar i kvantni pionir Volfgang Pauli ponudio je ono što je nazvao „očajničkim lekom“ za spas zakona očuvanja energije. Njegova ideja bila je toliko neobična da ju je predstavio kao šaljivo pismo grupi nuklearnih fizičara koji su se sastali u Tibingenu, Nemačka, naslovljeno: „Drage radioaktivne dame i gospodo“. Šta ako, predložio je Pauli, jedna nevidljiva, neutralna čestica izroni niotkuda u trenutku beta raspada? I šta ako ta čudesna, hipotetička čestica odnese tačno onoliko energije koliko je potrebno da se bilans izjednači?
U to vreme, fizičari su znali samo za dve subatomske čestice: proton i elektron, i prizivanje potpuno nove, nedetektabilne čestice da bi se objasnio čudan rezultat delovalo je jednako nečuveno kao i odbacivanje zakona očuvanja energije. Jedan od retkih koji je odmah ozbiljno shvatio Paulijevu ideju bio je Enriko Fermi, fizičar rođen u Italiji koji je kasnije postao poznat kao tvorac prvog nuklearnog reaktora. Fermi je razvio sveobuhvatniji teorijski opis Paulijeve čestice i 1934. poslao rad časopisu Nature. Urednici su odbili rad, navodno zato što je „sadržavao spekulacije suviše udaljene od stvarnosti da bi bile interesantne čitaocu“.
Ali neutrino se pokazao kao tvrdoglavo uporan. Naknadni eksperimenti su pokazali da elektroni emitovani tokom beta raspada prate određeni energetski obrazac koji je u skladu s prisustvom nevidljive čestice, a ne sa nekontrolisanim kršenjem očuvanja energije. Godine 1938, The New York Times je proglasio da neutrino „nije više puka hipoteza“, uhvativši novi konsenzus u fizici. Čak i tada, Pauli je shvatao da će njegovu česticu biti izuzetno teško otkriti – toliko teško, da se kladio u gajbu šampanjca svakome ko to uspe.
Paulijev šampanjac ostao je na ledu skoro dve decenije, sve dok fizičari Frederik Rajns i Klajd Kovan Mlađi iz Nacionalne laboratorije Los Alamos nisu odlučili da pronađu neutrino jednom zauvek („zato što su svi govorili da to ne može da se uradi“, rekao je Rajns). Početkom 1950-ih, Rajns i Kovan shvatili su da su najbolja mesta za traganje za neutrinima ona gde se odvijaju ogromne količine nuklearnih reakcija koje ispuštaju neutrine: u blizini atomske bombe ili nuklearnog reaktora. Nakratko su razmatrali postavljanje detektora pored testa atomske bombe u Los Alamosu, ali su se ipak odlučili za stabilniji i manje smrtonosan izvor: vojni nuklearni reaktor američke vojske u postrojenju Savannah River u Južnoj Karolini.
Za svoje istraživanje, koje su nazvali „Projekat Poltergajst“, Rajns i Kovan su postavili detektor zapremine 1.400 litara ispunjen vodom i kadmijum-hloridom. U izuzetno, veoma, ekstremno retkim slučajevima kada bi neutrino udario u atom kadmijuma, emitovala bi se detektabilna gama-zraka. Koristeći ovu postavku, odlučni dvojac je konačno pronašao nedvosmislen signal neutrina koji dolaze iz reaktora Savannah River. Dana 14. juna 1956. poslali su telegram Pauliju: „Sa zadovoljstvom vas obaveštavamo da smo definitivno detektovali neutrine iz fisijskih fragmenata.“ Pauli je odgovorio: „Sve dolazi onome ko zna da čeka.“
I tako je neutrino prešao iz teorije u opipljiv objekat.
Kada DUNE bude u potpunosti aktiviran 2031. godine, on će proizvesti „najintenzivniji neutrinonski zrak u istoriji“, kaže Zeler. To će biti snop neutrina jačine 1,2 megavata, osmišljen da jednom zauvek otkrije te čestice-duhove. Stvaranje tog snopa zahtevaće čitav niz izuzetno složenih inženjerskih trikova namenjenih manipulaciji česticama, a ne stenama – kvantna verzija Rube Goldberg mašine.
Svaki naučni ciklus u okviru DUNE-a počinje u Fermilabu – dugogodišnjoj ustanovi za fiziku čestica u blizini Čikaga – gde novi akcelerator čestica, nazvan Proton Improvement Plan II (PIP-II), izbacuje snop protona visoke energije. Četrdeset jedan ogroman magnet, uglavnom proizveden u Bhabha Centru za atomska istraživanja u Indiji, fokusira i usmerava protone tako da pogode pažljivo izrađenu grafitnu metu cilindričnog oblika dugu 1,5 metara. Bombardovana meta oslobađa mlaz čestica poznatih kao pioni i kaoni. Te čestice, zatim, bivaju vođene magnetima kroz tunel dug 200 metara ispunjen helijumom, gde se raspadaju i proizvode mionske neutrine. Taj poslednji korak konačno stvara intenzivan „reflektor“ neutrina usmeren ka glavnim detektorima u Južnoj Dakoti.
Što se neutrina tiče, naša planeta je providna.
DUNE-ov „reflektor“ će ispaljivati neutrine u impulsima koji traju samo milisekundu, svakih nekoliko sekundi, iznova i iznova, tokom više od jedne decenije. „Dolaze u kratkim rafalima da bi mogli jasno da ih identifikujemo“, kaže Zeler. U suprotnom, osetljivi detektori DUNE-a mogli bi da pomešaju neutrine stvorene ljudskom rukom s onima koji neprestano dolaze iz ostatka Univerzuma.
Na samom početku svog putovanja, samo 574 metra od izvora u Fermilabu, neutrini prolaze kroz mali eksperiment nazvan „bliski detektor“ (Near detector). „Mali“ je relativan pojam u ovom slučaju: taj detektor sastoji se od pokretnog sakupljača neutrina na bazi 300 tona tečnog argona, smeštenog oko 60 metara ispod zemlje. Glavni zadatak ovog detektora je da izmeri svojstva izlaznog snopa u podršci glavnom DUNE eksperimentu, ali će takođe vršiti i sopstvena naučna merenja – uglavnom u potrazi za mogućim četvrtim tipom neutrina, takozvanim sterilnim neutrinom.
Nakon što „pobegnu“ iz bliskog detektora, neutrini nastavljaju gotovo brzinom svetlosti, ne skrećući s puta, pravo kroz Zemlju. Za neutrine, naša planeta je providna. („Imali smo jednog novinara iz časopisa o tunelima koji je bio jako razočaran kada je čuo da ne moramo da pravimo tunel dug 800 milja od Fermilaba“, kaže Mosi.) Oko 1/250 sekunde kasnije, čestice stižu do svoje glavne destinacije: DUNE-ovog ogromnog dalekog detektora (Far detector) u okviru Podzemne istraživačke stanice Sanford (SURF), smeštene 1,5 kilometara ispod površine Južne Dakote, odmah pored mesta gde se nekada odvijao Dejvisov solarni eksperiment sa neutrinima.
Kada neki prolazni neutrino nadmaši astronomski male šanse i sudari se s atomom argona u DUNE-ovim detektorima, pokreće se lančana reakcija. Kao i sve što ima veze s neutrinima, taj proces nije nimalo jednostavan. Neutrino izazove emisiju jedne (ili više) naelektrisanih čestica, najčešće miona; te čestice, pak, izbijaju niz elektrona iz susednih atoma argona. Zatim mreža digitalnih senzora detektuje te elektrone, beleži njihovu tačnu energiju i lokaciju i rekonstruiše detalje prvobitne neutrinonske „krivice“ u zadivljujućem 3D formatu. Ljudi će, na kraju, moći da „vide“ neutrine kao nikada do sada.
Za istraživače koji su navikli da čekaju danima ili mesecima na samo jedno detektovanje, DUNE će biti otkrovenje, donoseći možda i 50 detekcija po milisekundi. „To je nešto što do sada nismo imali. Možete da vidite sve različite tragove čestica koje potiču od sudara neutrina s jezgrom argona“, kaže Zeler. Istraživači će beležiti svaki događaj i označavati ga: koja vrsta neutrina je u pitanju; koja mu je bila energija; koja svojstva je imao?
DUNE će takođe stvoriti naučnu zajednicu bez presedana. Dejvis je radio gotovo kao orkestar s jednim članom. DUNE eksperiment će više ličiti na neutrinonski Vudstok. Meri Bišai iz Brookhaven nacionalne laboratorije, koja je radila na DUNE projektu još pre nego što je dobio ime i koja sada služi kao zvanična portparolka, bila je oduševljena – i pomalo preplavljena – dok je gledala kako oko eksperimenta raste široka kolaboracija. „Imate 1.400 ljudi, a svi odgovaraju različitim univerzitetima ili laboratorijama. To je mnogo fizičara koji međusobno komuniciraju, kao da pokušavate da okupite mačke“, kaže s osmehom. „Ono što nas drži na okupu je ljubav prema nauci.“
Nakon sveg tog kopanja, razbijanja čestica i ispaljivanja snopova, stvarni naučni rezultat na kraju DUNE projekta biće obrazac interferencije interakcija neutrina – kao talasi koji se sudaraju na jezeru, njihove ivice se pojačavaju ili poništavaju – ali sačinjen od rojeva nevidljivih čestica. Tri „ukusa“ (flavour) neutrina oscilovaće i međusobno delovati, stvarajući analogne obrasce tipova i intenziteta. Prilagođavanjem snopa i detektora, istraživači će postepeno mapirati te obrasce i stvoriti najkompletniju sliku ponašanja neutrina do sada.
„Stvarate mionske neutrine u Fermilabu. Onda će se 5% njih oscilovati u elektronske neutrine, a ostatak u taonske neutrine“, kaže Souza. Rezultujući obrazac oscilacija naziva se „ugao mešanja“ (mixing angle) između tri različita neutrinonska identiteta. „DUNE će meriti taj ugao mešanja i svu fiziku povezanu s njim“, objašnjava Souza. Ugao mešanja je niz brojeva koji pokazuju koliko priroda odstupa od jednostavne, matematički idealizovane forme simetrije – one tužne simetrije koja bi dovela do prazne, puste stvarnosti.
Dok DUNE bude istraživao oscilujuće neutrine, obavljaće i mnoge druge zadatke. Tražiće hipotetičke, teške neutrine koji bi mogli da objasne tamnu materiju, koja, čini se, ima veću masu od sve vidljive materije u Univerzumu. Ti „sterilni“ neutrini, ako postoje, morali bi biti još inertniji od regularnih; mogli bi da kriju čitav senoviti svet dosad neviđene fizike. DUNE detektori će služiti kao ultraosetljivi neutrinonski teleskop, znatno unapređena verzija eksperimenta koji je Dejvis pokrenuo na istom mestu 1960-ih. Ako neka supernova eksplodira bilo gde u našoj galaksiji, naučnici će to znati i dobiće jedinstven uvid u srce umiruće zvezde – pogled koji samo neutrini mogu da pruže. „Toliko bismo naučili“, kaže Souza.
DUNE deluje kao savremena katedrala – mesto okupljanja gde ljudi traže prosvetljenje.
Do kraja trajanja DUNE eksperimenta, negde oko 2040. godine, trebalo bi da saznamo kako se tri poznate vrste neutrina ponašaju, kako međusobno deluju i koje su im mase. Možda ćemo otkriti identitet tamne materije koja vezuje daleke galaksije. Iznad svega, trebalo bi da dobijemo precizno merenje uglova mešanja i CP kršenja, što će nam reći da li smo pronašli onu jednu u deset milijardi neravnotežu koja objašnjava zašto postojimo.
Fizičari će pomno posmatrati tačne vrednosti izmerenog ugla mešanja kako bi pronašli dublje tragove o našem poreklu: ne samo zašto materija postoji, već i odakle potiče. Ako neutrini pokažu upravo onaj nivo neravnoteže koji treba, to bi podržalo smelu teoriju zvanu „mehanizam klackalice“ (seesaw mechanism), koja tvrdi da su neutrini koje danas vidimo krotki potomci ultra-masivnih neutrina koji su postojali odmah nakon Velikog praska. Ti „divovi“ bi bili kvadrilion puta masivniji od protona; kako su se raspadali, mogli su da postanu neposredni izvor svih atoma koje danas vidimo. Ako je to tačno, svi smo mi potomci neutrina.
Postojao bi i filozofski i društveni osećaj ispunjenja u tome što su teoretičari, tehničari i praktičari fizike čestica iz više od 35 zemalja, radeći zajedno više od dve decenije, pokušali da reše jedno nepraktično, ali duboko lično pitanje: zašto postoji nešto, a ne ništa? „Postoji li bolji posao od onog u kome pokušavate da odgovorite na pitanje na koje apsolutno niko na planeti ne zna odgovor?“ pita Zeler. U tom svetlu, DUNE ne deluje kao mašina, već kao savremena katedrala – mesto okupljanja gde ljudi traže prosvetljenje, vođeni zajedničkim ciljem koji prevazilazi pojedince i obuhvata generacije.
Mosi smešta misteriju neutrina u još dužu vremensku perspektivu. „Imate 65 milijardi njih koji prolaze kroz svaki kvadratni centimetar vašeg tela svake sekunde, celog vašeg života, unazad 100.000 godina, još od kada su prvi ljudi hodali Zemljom“, kaže on. „Nešto toliko sveprisutno mora da ima važnu ulogu u Univerzumu – i nekako moramo da otkrijemo koja je.“
Izvor: AEON
