Gdzie są brakujące neutrina słoneczne?

Gdzie są brakujące neutrina słoneczne?

W każdej dziedzinie jest jakiś problem, którego nauka nie potrafi rozwiązać, a nie może go po prostu zignorować. Dla astronomów badających gwiazdy takim problemem są neutrina słoneczne. Neutrina są widmowymi cząstkami, tworzącymi się podczas reakcji jądrowych. Nie mają masy ani ładunku i prawie wcale nie reagują z materią. Także w tej chwili przez nasze ciało przechodzą ich miliony, lecz ponieważ nie oddziałują na nasze atomy, nie jesteśmy świadomi ich obecności. Faktycznie neutrino mogłoby przejść przez warstwę ołowiu grubości kilku lat świetlnych, nie zakłócając niczego i nie pozostawiając żadnego śladu.

Ta nieuchwytność powoduje, że neutrina są trudne do wykrycia, lecz czyni je także niezwykle użytecznymi dla ludzi badających Słońce. Wydaje nam się, że wiemy, jakie reakcje jądrowe zachodzą w środku Słońca, a to oznacza, że wiemy, ile neutrin powstaje. Neutrina te uchodzą masowo z jądra Słońca i około ośmiu minut później przecinają orbitę Ziemi. I chociaż prawdopodobieństwo, że jakieś neutrino będzie reagować z atomem na Ziemi jest niewielkie, jest ich tak dużo, że od czasu do czasu jakieś oddziaływanie zajdzie po prostu przez przypadek.

I właśnie te przelotne zderzenia były powodem powstania problemu neutrin słonecznych. W połowie lat 60. w komorze znajdującej się prawie 1500 metrów pod ziemią w kopalni złota Homestake w Lead w Dakocie Południowej zaczęto przeprowadzać eksperyment. Główną część aparatury pomiarowej stanowi zbiornik zawierający ponad 600 ton płynu do czyszczenia. Kilka razy dziennie jedno z neutrin zalewających zbiornik uderza w atom chloru płynu czyszczącego i zmienia go w argon. Naukowcy, stosując dokładne metody chemiczne, zbierają i liczą pojedyncze atomy argonu. I od połowy lat 60. ich zliczenia zawsze okazywały się zbyt skąpe – uzyskiwano jedynie od jednej trzeciej do połowy liczby neutrin, jakie powinniśmy dostawać od Słońca. Ostatnio rozpoczęto eksperymenty w Europie Zachodniej oraz w Rosji, gdzie stosuje się inne materiały i inne techniki zliczania neutrin, lecz rezultaty okazały się takie same: przez ostatnie ćwierć wieku liczba uciekających ze Słońca neutrin przechodzących przez Ziemię była o wiele za mała.

Z początku niezbyt się tym odkryciem martwiono – mimo wszystko eksperyment w Dakocie Południowej mógł być błędny, a może również niewłaściwie rozumiano niektóre szczegóły reakcji jądrowych zachodzących na Słońcu. Lecz z czasem, gdy luki w interpretacji wyników zaczęły się wypełniać, astronomowie stawali się coraz bardziej niespokojni. Ostatecznie, jeżeli mimo olbrzymiej ilości danych, jakie dochodzą ze Słońca, nie możemy pojąć, jak ono działa, to jaką możemy mieć nadzieję na zrozumienie ogromnej różnorodności innych gwiazd na niebie? Niektóre z propozycji zaczęły mieć rozpaczliwy ton. Przypominam sobie na przykład jedną z nich, głoszącą, że w centrum Słońca znajduje się rosnąca czarna dziura, która skonsumowała już kęs jądra słonecznego, gdzie zachodzą reakcje jądrowe i któregoś dnia wyżre sobie drogę do powierzchni, wywołując coś, co może być jedynie nazwane ostateczną katastrofą ekologiczną.

Dzisiejsze nadzieje na rozwiązanie problemu neutrin słonecznych zależą od własności samych neutrin. Wiemy, że istnieją trzy różne rodzaje neutrin, zwane neutrinami elektronowymi, mionowymi i neutrinami tau, z których każde związane jest z inną cząstką podstawową. Jeśli masa neutrina wynosi dokładnie zero, wtedy z teorii wynika, że trzy różne typy muszą być zawsze od siebie odseparowane. Ponieważ w reakcjach jądrowych na Słońcu produkowane jest tylko neutrino elektronowe i tylko ono może reagować z atomami na Ziemi, wówczas, przy klasycznym podejściu, istnienie pozostałych dwóch neutrin nie ma zwyczajnie nic wspólnego z problemem neutrin słonecznych.

Jeżeli jednak neutrina mają niewielką masę (jak przewidują niektóre współczesne jednolite teorie pola), wtedy może zachodzić proces zwany mieszaniem lub „oscylacją” neutrin. Gdy strumień neutrin opuszcza Słońce, zaczynają one zmieniać swoją tożsamość. To, co na początku było strumieniem neutrin elektronowych, staje się strumieniem zawierającym wszystkie trzy ich rodzaje. Wyobraźmy sobie strumień pojazdów wjeżdżających na autostradę. Początkowo wszystkie auta są na prawym pasie, lecz z upływem czasu niektóre z nich przemieściły się na inne pasy ruchu i na prawym pozostała tylko ich część. Ponieważ jedynie neutrina elektronowe mogą powodować reakcję detektorów na Ziemi i ponieważ mniej neutrin tego rodzaju będzie ją wskutek oscylacji osiągać, zostałby w ten sposób rozwiązany problem neutrin słonecznych.

To zapatrywanie uzyskało w 1995 roku pewne poparcie, gdy naukowcy z Los Alamos National Laboratory ogłosili wyniki doświadczenia, w którym wiązki neutrin mionowych skierowane zostały na ośmiometrowy zbiornik napełniony oliwką dla niemowląt. Zauważyli wtedy kilka zdarzeń zainicjowanych przez neutrino elektronowe, co dowodzi, że neutrina rzeczywiście oscylują (w tym wypadku od mionowych do elektronowych) – zakładając oczywiście, że doświadczenie przeprowadzono prawidłowo. Realizuje się już plany udoskonalenia tego eksperymentu. W jednym z projektów rozważa się skierowanie wiązki neutrin przez warstwę ziemi z Fermi National Accelerator Laboratory pod Chicago do detektora w północnej Minnesocie i obserwowanie, co stanie się z tą wiązką po drodze. Opera mydlana pod tytułem „Neutrino słoneczne” grana jest już od tak dawna, że straciłem nadzieję na proste rozwiązanie.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *