Neutrina – ulotne cząstki elementarne

Neutrina to cząstki elementarne, które od prawie stulecia fascynują fizyków. Jest ich bardzo dużo we Wszechświecie – w ciągu sekundy przenika przez ludzkie ciało 100 000 000 000 000 neutrin pochodzących ze Słońca. Z drugiej strony neutrino przeniknie przez 10 000 000 000 000 000 000 ludzi, zanim oddziałuje w człowieku. Czyli neutrino rzadko oddziałuje z materią, przez co bardzo trudno jest je złapać.

 Fizycy wymyślili różne pułapki do badania neutrin. W chwili obecnej działa na świecie około 30 eksperymentów – doświadczeń naukowych dedykowanych badaniu tych tajemniczych cząstek. Artykuł ten będzie miał na celu przybliżenie kilku eksperymentów badających obecnie neutrina. Opowiemy jak te eksperymenty łapią neutrina, oraz co ciekawego o neutrinach mogą nam powiedzieć.

 Co to jest neutrino?

Zacznijmy od przybliżenia czytelnikowi, co to jest neutrino. Ze szkoły wiemy, że otaczająca nas materia zbudowana jest z cząsteczek w skład których wchodzą atomy. Atomy natomiast zbudowane są z jądra i krążących wokół nich elektronów. Elektron jest cząstką elementarną, czyli niepodzielnym elementem materii o ładunku ujemnym. Natomiast jądra atomowe mają swoją wewnętrzną strukturę. A mianowicie zbudowane są one z cząstek zwanych protonami i neutronami. Proton to cząstka o ładunku dodatnim, natomiast neutron ma zerowy ładunek ani proton, ani neutron nie są niepodzielne. Zbudowane są one z mniejszych cegiełek materii o ułamkowym ładunku zwanych kwarkami.

Kwarki to niepodzielne elementy materii, a więc cząstki elementarne. Znamy ich sześć, jak pokazuje to Rys.1 (z angielskiego up, down, charm, strange, top, bottom).

Kwarki nie występują w przyrodzie samodzielnie. Łączą się one w pary lub trójki tworząc różne cząstki, między innymi protony (up, up, down) i neutrony (up, down, down). Nie są to jedyne niepodzielne budulce materii występujące we Wszechświecie.

Jak już było wcześniej wspomniane, do innej rodziny cząstek, tzw. leptonów, należy elektron, który krąży wokół jądra atomowego. Elektron ma swoich cięższych towarzyszy: mion, m i lepton tau, t, które również mają ładunek ujemny. Do kompletu te naładowane leptony mają swoich neutralnych towarzyszy o zerowym ładunku, które nazywamy neutrinami. I tak jak mamy elektron, mion i taon, tak istnieją trzy neutrina: neutrino elektronowe – n_e, neutrino mionowe – n_m i neutrino taonowe – n_t.

Fizycy mówią, że neutrina mają trzy zapachy (elektronowy, mionowy i taonowy). Wyobraźmy sobie źródło neutrin, jak pokazuje to Rys. 2. I tak neutrino elektronowe powstaje zawsze w towarzystwie elektronu, neutrino mionowe jest stowarzyszone z mionem, a taonowe z leptonem tau. Nie istnieje taka możliwość, jak pokazuje Rys 2.d, kiedy neutrino mionowe powstaje w towarzystwie leptonu tau. O zapachu, rodzaju neutrina decyduje fakt, jaki lepton powstał w źródle (elektron, mion bądź taon). Czyli podsumowując, mamy trzy rodzaje neutrin o różnych zapachach, n_e, n_m, n_t.

Gdy chcemy badać neutrino, patrzymy na to, jak neutrino oddziałuje z materią. Kiedy neutrino oddziałuje z atomami materii (przez tzw. prądy naładowane) w detektorze, tworzy naładowany lepton (elektron – e, mion – m, taon – t), który ma zawsze ten sam zapach co oddziałujące neutrino, jak ilustruje to rys. 3.

Czyli jeśli w wyniku oddziaływania neutrina z materią obserwujemy elektron, to możemy być pewni, że oddziaływało neutrino elektronowe. Kiedy widzimy mion, oddziaływało neutrino mionowe itd. Uświadomienie sobie tego faktu jest ważne do zrozumienia innej właściwości neutrin – a mianowicie oscylacji, czyli samoczynnej zamiany tożsamości neutrin, która to właściwość jest obecnie badana przez wiele działających eksperymentów, do której opisu przejdziemy w dalszej części artykułu.

Źródła neutrin we Wszechświecie

Wiemy już, co to są neutrina i ile rodzajów neutrin istnieje. Natomiast interesujące jest również uświadomić sobie, jakie są źródła neutrin we Wszechświecie. Neutrina docierają do nas z wielu stron. Jak już było wspomniane, powstają w Słońcu w wyniku reakcji termojądrowych. Powstają podczas śmierci gwiazd, czyli w wybuchach supernowych. Nasz Wszechświat przemierzają liczne neutrina powstałe w czasie Wielkiego Wybuchu. Neutrina powstają również w atmosferze ziemskiej w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z atmosferą. Także reaktory jądrowe są źródłem neutrin. Do kompletu możemy produkować neutrina sami w akceleratorach-przyspieszaczach cząstek, które działają np. w Japonii (JPARC, wiązka T2K), albo w Stanach Zjednoczonych (Fermilab, wiązka NuMi) (…)

Więcej przeczytacie w artykule Joanny Zalipskiej „Neutrina – ulotne cząstki elementarne” w najnowszym wydaniu (6/2021) „Fizyki w Szkole”.