Neutrina: czym są, ile ważą i jak IceCube łapie je w lodzie Antarktydy

Cząstka, która przechodzi przez planetę

Neutrino to cząstka elementarna z grupy leptonów. Ma spin ½ i zerowy ładunek elektryczny. Oddziałuje tylko słabo (oraz grawitacyjnie), więc zwykła materia prawie jej nie zatrzymuje. Nie działają na nią oddziaływania silne ani elektromagnetyczne.

Opis opieram na hasłach polskiej i angielskiej Wikipedii o neutrinie oraz na haśle o obserwatorium IceCube. To przegląd stanu wiedzy, a nie omówienie jednej nowej pracy. Przeczytałem oba hasła obok siebie i trafiłem na kilka rozbieżności. Opisuję je niżej, a w tekście używam tych danych, które da się spójnie potwierdzić.

Najlepszy przykład to strumień neutrin słonecznych. Polskie hasło podaje 60,5 miliarda neutrin na centymetr kwadratowy na sekundę, angielskie około 65 miliardów (6,5×10¹⁰. Oba zgadzają się co do rzędu wielkości: setki miliardów cząstek przelatują przez paznokieć, a my tego nie odczuwamy.

Masa: wiemy, że jest, nie wiemy jaka

Przez lata neutrina uważano za cząstki bezmasowe. Dziś wiadomo, że istnieją trzy stany masowe o różnych wartościach. Wszystkie są maleńkie, a najmniejsza może być równa zeru. Zapach neutrina nie odpowiada jednemu stanowi masowemu. Neutrino wytworzone w danym zapachu jest kwantową superpozycją wszystkich trzech stanów.

Z tego wynikają oscylacje. Trzy składowe lecą z minimalnie różnymi prędkościami i ich fazy się przesuwają. Neutrino elektronowe powstałe w rozpadzie beta może więc w odległym detektorze zachować się jak mionowe lub taonowe.

Co ustalono, a czego nie:

• Znane są różnice kwadratów mas.
• Kosmologia ogranicza sumę trzech mas do wartości poniżej 0,120 eV.
• Eksperyment KATRIN, który mierzy rozpad beta trytu, wyznaczył górną granicę masy antyneutrina elektronowego: 0,45 eV.
• Nie wiadomo, który stan masowy jest najcięższy. Rozważane są dwie możliwości, tzw. hierarchia normalna i odwrócona.
• Nie wiadomo, czy neutrino jest cząstką Diraca, czy Majorany, czyli czy jest własną antycząstką.

Według angielskiej wersji hasła KATRIN-owska granica jest co najmniej 5 rzędów wielkości poniżej następnego najlżejszego fermionu. Taka przepaść sugeruje, że mechanizm nadawania masy neutrinom może się różnić od tego u innych fermionów. To na razie hipoteza, nie wynik.

Test na cząstkę Majorany jest znany. Jeśli neutrina są cząstkami Majorany, możliwy byłby bezneutrinowy podwójny rozpad beta. Szukają go m.in. eksperymenty GERDA, EXO, SNO+ i CUORE.

Jak do tego doszło

1. 1930Wolfgang Pauli postuluje nową cząstkę, by wyjaśnić widmo rozpadu beta
2. 1956Cowan i Reines publikują potwierdzenie wykrycia neutrina
3. 1962Lederman, Schwartz i Steinberger wykazują istnienie neutrina mionowego
4. 2000Eksperyment DONUT ogłasza pierwsze wykrycie neutrina taonowego
5. 2015Nobel dla Takaakiego Kajity i Arthura McDonalda za oscylacje neutrin
6. 2018IceCube wiąże neutrino z blazarem TXS 0506+056

1. 1930: Wolfgang Pauli postuluje nową cząstkę, by wyjaśnić widmo rozpadu beta
2. 1956: Cowan i Reines publikują potwierdzenie wykrycia neutrina
3. 1962: Lederman, Schwartz i Steinberger wykazują istnienie neutrina mionowego
4. 2000: Eksperyment DONUT ogłasza pierwsze wykrycie neutrina taonowego
5. 2015: Nobel dla Takaakiego Kajity i Arthura McDonalda za oscylacje neutrin
6. 2018: IceCube wiąże neutrino z blazarem TXS 0506+056

Nazwę „neutrino" (po włosku „mały neutralny") według angielskiego hasła ukuł żartobliwie włoski fizyk Edoardo Amaldi w rozmowie z Enrico Fermim. Polskie hasło przypisuje nazwę samemu Fermiemu. Wprowadził ją do obiegu naukowego Fermi, więc obie wersje się nie wykluczają. Pomysłodawcą samej cząstki był Pauli, który chciał w ten sposób ocalić zasady zachowania w rozpadzie beta. Niels Bohr proponował wówczas statystyczne ujęcie tych zasad.

Problem neutrin słonecznych

W latach 60. eksperyment Homestake zmierzył strumień neutrin elektronowych ze Słońca. Wyszedł między jedną trzecią a połową wartości przewidzianej przez Standardowy Model Słońca. Rozbieżność przez około trzydzieści lat pozostawała niewyjaśniona. Rozwiązały ją oscylacje: część neutrin elektronowych ze Słońca zmieniała zapach na taki, którego detektory nie rejestrowały. Od 1998 roku eksperymenty, m.in. Super-Kamiokande i Sudbury Neutrino Observatory, pokazywały, że neutrina słoneczne i atmosferyczne zmieniają zapach. Kajita i McDonald otrzymali za to Nagrodę Nobla w 2015 roku.

Liczbę rodzajów neutrin ustalono z pomiarów czasu życia bozonu Z. Wynika z nich, że istnieją trzy lekkie neutrina oddziałujące słabo. Neutrina sterylne, czyli hipotetyczny czwarty zapach, nie podlegają temu ograniczeniu. Dotychczasowe wyniki ich poszukiwań, zebrane razem, są niejednoznaczne.

IceCube: teleskop w lodzie

IceCube to obserwatorium zbudowane przy stacji Amundsen-Scott na biegunie południowym. Tysiące czujników rozmieszczono w lodzie na przestrzeni sześciennego kilometra. Moduły optyczne siedzą na sznurach po 60 sztuk, na głębokościach od 1450 do 2450 metrów. Budowę zakończono w grudniu 2010 roku, a całkowity koszt wyniósł 279 milionów dolarów.

1. Neutrino w lodzie: Rzadko reaguje z cząsteczką wody przez oddziaływanie słabe
2. Naładowany lepton: Powstaje elektron, mion lub taon, zależnie od zapachu neutrina
3. Światło Czerenkowa: Szybka cząstka emituje błysk w lodzie
4. Moduły optyczne: Fotopowielacze rejestrują światło i wysyłają sygnał na powierzchnię
5. Rekonstrukcja: Z danych odtwarza się kierunek i energię neutrina

Źródło: Wikipedia (en): IceCube Neutrino Observatory

Najlepiej widać mionowe neutrina, bo miony są najbardziej przenikliwe i zostawiają najdłuższe ślady. Neutrina z półkuli południowej tonią w tle miony z promieni kosmicznych, dlatego pierwsze poszukiwania źródeł skupiały się na północnej półkuli nieba.

Co udało się zobaczyć

• 2013: ogłoszono 28 neutrin, które prawdopodobnie pochodziły spoza Układu Słonecznego. Wśród nich była para o energiach w zakresie petaelektronowoltów, nazwana „Bert" i „Ernie".
• 2018: IceCube powiązał neutrino, które uderzyło w detektor we wrześniu 2017 roku, z blazarem TXS 0506+056, oddalonym o 3,7 miliarda lat świetlnych. Istotność statystyczna wyniosła 3-3,5σ. To pierwszy przypadek, gdy detektor neutrin posłużył do zlokalizowania obiektu w kosmosie.
• 2020: ogłoszono dowód na rezonans Glashowa na poziomie 2,3σ.
• 2022: silne dowody na źródło neutrin w aktywnym jądrze galaktyki Messier 77. Według hasła to drugie źródło wykryte przez IceCube i dopiero czwarte znane, licząc razem SN 1987A i neutrina słoneczne.
• 2023: zidentyfikowano rozproszoną emisję neutrin z płaszczyzny Galaktyki na poziomie 4,5σ.

Według hasła w Wikipedii we wrześniu 2026 roku Francis Halzen, główny badacz projektu, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za decydujący wkład w obserwatorium IceCube i odkrycie neutrin wysokich energii pochodzenia astrofizycznego". Nie sprawdzałem tego w komunikacie komitetu noblowskiego, więc to informacja z drugiej ręki.

Rozbudowa obserwatorium, zatwierdzona w 2019 roku, została według hasła zakończona w lutym 2026 roku. Dodano pięć gęściej rozmieszczonych sznurów czujników. Doszło ponad 600 nowych czujników i przyrządów kalibracyjnych, w tym dwa nowe typy czujników o dwu- do trzykrotnie większej czułości. Ulepszenie ma być „stopniem pośrednim" do planowanego IceCube-Gen2, który według hasła wymaga jeszcze zgód federalnych.

Dlaczego fizycy wciąż to badają

Neutrino jest jedyną znaną cząstką elementarną, która może być kandydatem na ciemną materię. Znane typy neutrin zostały jednak niemal wykluczone jako jej istotny składnik, na podstawie obserwacji mikrofalowego promieniowania tła. Cięższe neutrina sterylne wciąż mogłyby tworzyć ciepłą ciemną materię, o ile istnieją.

Jest też przestroga z 2011 roku. Eksperyment OPERA, mierzący prędkość neutrin wysyłanych na 730 km do laboratorium Gran Sasso, sugerował prędkość większą od światła. CERN apelował o niezależną weryfikację. Wynik stał w sprzeczności z obserwacją supernowej SN 1987A: neutrina dotarły z niej trzy godziny przed fotonami, a przy prędkościach z OPERA wyprzedziłyby światło o ponad cztery lata. Ostatecznie anomalię wyjaśniono nieprawidłowo podłączonym odbiornikiem GPS.

Pytania i odpowiedzi

Czy neutrino ma masę?

Tak. Dowodzi tego zjawisko oscylacji, czyli zmiany zapachu w locie. Dokładne wartości mas nie są znane, ale suma trzech mas jest według kosmologii mniejsza niż 0,120 eV.

Ile neutrin istnieje i czym się różnią?

Znane są trzy zapachy: elektronowe, mionowe i taonowe. Każdy ma swoje antyneutrino. Pomiary czasu życia bozonu Z wskazują na trzy lekkie neutrina oddziałujące słabo. Czwarty, sterylny zapach pozostaje hipotezą.

Czy neutrina poruszają się szybciej od światła?

Nie. Wynik eksperymentu OPERA z 2011 roku okazał się błędem pomiarowym, wywołanym nieprawidłowym podłączeniem odbiornika GPS. Przeczyły mu też dane z supernowej SN 1987A.

Co wykrywa IceCube?

Obserwatorium rejestruje światło Czerenkowa od naładowanych cząstek, które powstają, gdy neutrino zareaguje z wodą w lodzie. Jest czułe głównie na neutrina wysokich energii i najlepiej widzi mionowe.

Źródła

• Wikipedia (pl) - Neutrino
• Wikipedia (en) - Neutrino
• Wikipedia (en) - IceCube Neutrino Observatory

Widzisz błąd albo nieścisłość? Napisz - poprawię i dopiszę datę aktualizacji.