Nagrodę Nobla z fizyki w 2015 roku otrzymali Takaaki Kajita (Japonia) i Arthur B. McDonald (Kanada) za odkrycie oscylacji trzech rodzajów neutrin (jest to własność powodująca, że w locie potrafią zmienić się one jedne w drugie), co dowodzi, że mają one masę.

Taka reakcja zachodzi w jądrze Słońca: dwa protony łączą się w deuter i powstaje pozyton oraz neutrino elektronowe

Neutrina są to bardzo tajemnicze cząstki o bardzo małej masie (około milion razy mniejsza od masy elektronu), obojętne elektrycznie, dlatego też słabo oddziaływają z materią (przelatują przez ciała praktycznie bez przeszkód) i dlatego są trudne do wykrycia. Obecnie znamy trzy rodzaje neutrin (elektronowe, mionowe i taonowe) należące do trzech rodzin cząstek elementarnych zwanych leptonami.

W rozpadzie beta minus potasu-40 powstaje antyneutrino elektronowe

W naszym otoczeniu i w całym Wszechświecie jest bardzo dużo neutrin. Neutrina powstają we wnętrz Słońca i innych gwiazd, w procesie reakcji syntezy jądrowej (reakcja termojądrowa), w rozpadach promieniotwórczych substancji radioaktywnych, jak i w ziemskiej atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego. W naszym organizmie, spośród substancji radioaktywnych, największa procentowo jest zawartość potasu-40, który ulega rozpadowi beta, emitując

Takaaki Kajita Urodził się w 1959 r. w Higashimatsuyamie w Japonii. W 1981 r. ukończył fizykę na niedalekim Uniwersytecie w Saitamie. Pięć lat później zrobił doktorat na Uniwersytecie Tokijskim pod kierunkiem Masatoshi Koshiby (twórca detektora Super-Kamiokande), i to z tą uczelnią jest związany do dziś. W 1988 r. został zatrudniony w uniwersyteckim Instytucie Badań Promieniowania Kosmicznego. To tam w 1999 r. zdobył profesurę. W tym samym roku został szefem należącego do instytutu Centrum Neutrin Kosmicznych, a następnie dyrektorem całego instytutu. Od 2010 roku kieruje budową detektora fal grawitacyjnych, których jeszcze nie wykryto.

neutrina (dokładniej, najczęściej antyneutrina elektronowe jeśli następuje rozpad beta minus, lub neutrino gdy zachodzi wychwyt K). Przyjmuje się, że potas-40 stanowi 0,012% potasu naturalnego. Daje to około 4900 rozpadów promieniotwórczych na sekundę w całym ciele człowieka o masie 70kg, a więc tyle neutrin powstałych z izotopu potasu przeciętnie emituje nasze ciało. Z zewnątrz szacuje się, że przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca (a więc i nasze ciało), co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin. Przelatują one nie tylko przez nas ale i przez cała Ziemię praktycznie bez przeszkód.
Istnienie neutrin najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w 1930 r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów powstających w rozpadzie beta substancji promieniotwórczych. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło dopiero w roku 1956 przez dwóch amerykańskich fizyków: Fredericka Reinesa i Clyde Cowana. Frederick Reines za odkrycie neutrina w 1995 roku otrzymał nagrodę Nobla z fizyki (Clyde Cowan wcześniej zmarł w 1874 roku) wraz z Martinwm Perlem, odkrywcą taonu czyli leptonu tau. Nagrodę Nobla za badanie własności neutrin przyznano jeszcze dwa razy. W 1988 roku Leona Ledermana, Melvina Schwartza oraz Jacka Steinbergera nagrodzono za odkrycie neutrina mionowego, a w 2002 roku Raymond Davis i Masatoshi Koshiba (opracował konstrukcję detektorów neutrin Kamiokande i SuperKamiokande) otrzymali nagrodę Nobla za wkład w rozwój astrofizyki w szczególności za detekcję neutrin kosmicznych.

Arthur B. McDonald Urodził się w Sydney (w Nowej Szkocji w Kanadzie). Ukończył wydział fizyki Dalhousie University w Halifax w 1965 r. Doktorat z fizyki obronił na California Institute of Technology w Pasadenie. W latach 1970 - 1982 był pracownikiem naukowym ośrodka badań energii nuklearnej Chalk River Nuclear Laboratories niedaleko Ottawy. Od 1982 do 1989 r. był profesorem fizyki w Princeton University, a od 1989 roku Queen's University w Kingston w stanie Ontario. Tam został szefem tamtejszej katedry badań i dyrektorem Sudbury Neutrino Observatory Institute (SNO).

Neutrina bardzo słabo oddziaływają z materią, przechodząc prawie bez przeszkód przez całą Ziemię, ale jednak są bardzo rzadko wychwytywane przez jądro atomowe, inicjując jego rozpad. Właśnie takie zdarzenia wykorzystywane są do wykrywania czyli detekcji neutrin. Aby nie było zakłóceń z zewnątrz (przede wszystkim z kosmosu) detektory neutrin umieszcza się głęboko pod ziemią lub w lodowcach Takim laboratorium jest Sudbury Neutrino Observatory Collaboration, gdzie swoje obserwacje prowadził prof. McDonald oraz SuperKamiokande, w którym pracuje Takaaki Kajita.
Detektor Super-Kamiokande albo Super-K został oddany do użytku w 1996 roku na miejscu poprzednio pracującego w latach 1983-1995 mniejszego detektora Kamiokande. Ulokowany on został w kopalni na głębokości 1000metrów niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii. Zbiornik detektora zawiera 50 000 ton wody. Gdy neutrino zderza się z cząsteczką wody powstałe cząstki poruszają się szybciej niż prędkość światła w wodzie (jest ona 1,33 razy mniejsza niż prędkość światła w próżni) i powstaje wtedy tak zwane promieniowanie Czerenkowa, Fala elektromagnetyczna jest emitowana tylko w ściśle określonym kierunku leżącym pod kątem ostrym do kierunku ruchu cząstki. Promieniowanie to można zarejestrować za pomocą fotopowielaczy.

Wnętrze detektora Super-Kamiokande

Sudbury Neutrino Observatory (SNO) w Kanadzie rozpoczęło działalność w 1999 roku. Jest ono ulokowane w kopalni niklu na głębokości 2073 m. Detektorem neutrin jest zbiornik ciężkiej wody o średnicy 12 m i pojemności 1 tys. ton zawierający około 1 tony krystalicznego indu. Gdy neutrino uderza w jądro indu, następuje emisja elektronu i promieniowania gamma (fotonu) i powstaje promieniowanie Czerenkowa, które można zarejestrować za pomocą prawie 10 tysięcy fotopowielaczy. Zbiornik ciężkiej wody otoczony jest cylindrycznym zbiornikiem o średnicy 22 metrów i wysokości 34 metrów, wypełnionym czystą wodą, dzięki której można było określić liczbę neutrin słonecznych, nie rozróżniając ich typu. Natomiast ciężka woda pozwala stwierdzić, ile do nas dociera neutrin elektronowych. Prowadząc pomiary wyznaczono strumień neutrin elektronowych.
Punktem wyjścia do wykrycia oscylacji neutrin jest rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi ze Słońca a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. W jądrze Słońca zachodzą reakcje termojądrowe w cyklu p-p. W tym procesie powstają jedynie neutrina elektronowe. Oszacowano intensywność zachodzenia tej reakcji, a więc i ilość neutrin, które powinny dotrzeć do Ziemi. W różnych eksperymentach liczba wykrywanych neutrin stanowiła jedynie około jedną trzecią liczby neutrin przewidzianych teoretycznie. Wynikało z tego, że błędny był albo model Słońca, albo model oddziaływań neutrin. Problem ten został nazwany problemem neutrin słonecznych.

Podziemny detektor neutrin: Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Jednak w latach osiemdziesiątych przewidziano teoretycznie, że jeżeli neutrino posiada masę, może zmienić typ na inny z dwóch pozostałych. W ten sposób "brakujące" neutrina słoneczne to te neutrina elektronowe, które zmieniły swój typ na mionowe i taonowe, po drodze do Ziemi i detektorów, które nie zarejestrowały tych neutrin. Pierwszy dowód na oscylację neutrina otrzymano w 1998 roku w grupie Super-Kamiokande pracującej w Japonii, pod kierownictwem Takaaki Kajita. Zaobserwowano przejście pomiędzy neutrinem mionowym, powstającym w wyższych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania kosmicznego, na neutrino taonowe. Dokładniej stwierdzono zależność liczby neutrin mionowych od odległości, jaką przebyły (odległość można oszacować znając kierunek lotu neutrina), co jest pośrednim dowodem na tak zwane zjawisko oscylacji neutrin.
Bardziej bezpośredni dowód powstał w 2002 roku w Sudbury Neutrino Observatory (SNO) w Kanadzie, kierowanym przez drugiego noblistę - Arthura B. McDonalda. Wykryto tam wszystkie typy neutrin docierających do Ziemi ze Słońca. Stało się także możliwe odróżnienie neutrina elektronowego od pozostałych typów. Po wnikliwej analizie statystycznej określono, że około 35% neutrin słonecznych to neutrina elektronowe. Reszta to pozostałe dwa typy. Całkowita liczba wykrytych neutrin dość dobrze zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi na temat fizyki wnętrza Słońca. W marcu 2006 roku swe pierwsze dane opublikowała grupa badawcza eksperymentu MINOS prowadzony w USA jednocześnie w Fermilabie i w kopalni w Minnesocie.. Potwierdzają one jeszcze dokładniej wyniki poprzednich badań.
Odkrycie zjawiska oscylacji neutrin dowiodło, że te cząstki - przez dziesięciolecia uważane za pozbawione masy - jednak ją mają, choć to bardzo mała masa. Oznacza to, że dotychczasowy Model Standardowy, wyjaśniający wzajemne oddziaływania cząstek tworzących Wszechświat, trzeba zmodyfikować. Odkrycia dotyczące neutrin mogą zmienić nasze poglądy na przeszłość, strukturę i przyszłość Wszechświata.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej, serwisie naukowym portalu Onet i materiałów z Wikipedii.

---

Następna »