Olemme pesemässä neutriinoissa. Ne ovat kevyimpiä kymmenestä kymmenestä tunnetuista subatomisista hiukkasista ja ne tulevat kaikista suunnista: maailmankaikkeuden alkaneesta suuresta räjähdyksestä, räjähtävistä tähtiistä ja ennen kaikkea auringosta. Ne tulevat suoraan maan läpi melkein valon nopeudella, koko ajan, päivällä ja yöllä, valtavana määränä. Noin 100 biljoonaa neutriinoa kulkee kehomme läpi joka toinen.
Asiaan liittyvä sisältö
- Muiden portaalien avaaminen fysiikassa
Fyysikoiden ongelmana on, että neutriinoja on mahdoton nähdä ja vaikeasti havaita. Jokainen tähän tarkoitukseen suunniteltu instrumentti voi tuntua kiinteältä kosketukselta, mutta neutriinoille jopa ruostumaton teräs on enimmäkseen tyhjää tilaa, niin kaukana kuin aurinkokunta on komeetta. Lisäksi neutriinoilla, toisin kuin useimmissa subatomisissa hiukkasissa, ei ole sähkövarausta - ne ovat neutraaleja, tästä myös nimi - joten tutkijat eivät voi käyttää sähkö- tai magneettivoimia niiden vangitsemiseksi. Fyysikot kutsuvat niitä "aavehiukkasiksi".
Fyysikot ovat vangittaneet nämä vaikeat kokonaisuudet erityisen kunnianhimoisin kokein. Jotta neutriinoja ei sekoitettaisi kosmisiin säteisiin (ulkoavaruuden subatomiset hiukkaset, jotka eivät tunkeudu maahan), ilmaisimet asennetaan syvälle maan alle. Valtavia on sijoitettu kulta- ja nikkelikaivoksiin, vuorien alla oleviin tunneleihin, merelle ja Etelämantereen jään alueelle. Nämä omituisen kauniit laitteet ovat muistomerkkejä ihmiskunnan päättäväisyydelle oppia maailmankaikkeudesta.
On epäselvää, mitkä käytännön sovellukset tulevat neutriinojen tutkimisesta. "Emme tiedä mihin se johtaa", sanoo Boris Kayser, teoreettinen fyysikko Fermilabissa Bataviassa, Illinoisissa.
Fyysikot tutkivat neutriinoja osittain, koska neutriinot ovat niin outoja hahmoja: ne näyttävät rikkovan sääntöjä, jotka kuvaavat luontoa sen perusteellisimmissa. Ja jos fyysikot koskaan toteuttavat toiveensa kehittää johdonmukainen todellisuuden teoria, joka selittää luonnon perusteet poikkeuksetta, heidän on otettava huomioon neutriinojen käyttäytyminen.
Lisäksi neutriinot kiinnostavat tutkijoita, koska hiukkaset ovat maailmankaikkeuden ulkopuolella olevia lähettiläitä, jotka on luotu räjähtävästi räjähtävistä galakseista ja muista salaperäisistä ilmiöistä. "Neutrinot voivat kyetä kertomaan meille asioita, joita hummerum-hiukkaset eivät voi", Kayser sanoo.
Fyysikot kuvittelivat neutriinoja kauan ennen kuin he koskaan löytäneet mitään. Vuonna 1930 he loivat konseptin tasapainottamaan yhtälöä, joka ei lisänyt. Kun radioaktiivisen atomin ydin hajoaa, sen lähettämien hiukkasten energian on oltava yhtä suuri kuin alun perin sisältämä energia. Mutta tosiasiassa tutkijat havaitsivat, että ydin menetti enemmän energiaa kuin ilmaisimet olivat poimimassa. Joten ylimääräisen energian huomioon ottamiseksi fyysikko Wolfgang Pauli suunnitteli ytimen lähettämän ylimääräisen, näkymättömän hiukkasen. "Olen tehnyt jotain erittäin huonoa tänään ehdottamalla hiukkasta, jota ei voida havaita", Pauli kirjoitti päiväkirjassaan. "Se on jotain mitä teoreetikko ei koskaan tulisi tehdä."
Kokeilijat alkoivat etsiä sitä joka tapauksessa. Ydinaselaboratoriossa Etelä-Carolinassa 1950-luvun puolivälissä he sijoittivat kaksi suurta vesisäiliötä ydinreaktorin ulkopuolelle, jonka yhtälöiden mukaan olisi pitänyt tehdä kymmenen biljoonaa neutrinoa sekunnissa. Ilmaisin oli nykypäivän mukaan pieni, mutta pystyi silti havaitsemaan neutriinoja - kolme tunnissa. Tutkijat olivat todenneet, että ehdotettu neutriino oli todella todellinen; vaikeasti tutkittavan hiukkasen tutkimus kiihtyi.
Vuosikymmentä myöhemmin kenttä muuttui, kun toinen fyysikkojen ryhmä asensi ilmaisimen Homestake-kultakaivokseen, Lyadiin, Etelä-Dakotaan, 4 850 jalkaa maan alle. Tässä kokeessa tutkijat pyrkivät tarkkailemaan neutriinoja seuraamalla mitä tapahtuu harvinaisessa tilanteessa, kun neutriino törmää klooriatomiin ja luo radioaktiivisen argonin, joka on helposti havaittavissa. Kokeen ytimessä oli säiliö, joka oli täytetty 600 tonnilla klooririkkaalla nesteellä, perkloorietyleenillä, nesteellä, jota käytetään kuivapesuun. Muutaman kuukauden välein tutkijat huuhtelevat säiliön ja uuttavat noin 15 argoniatomia, mikä todistaa 15 neutrinosta. Seurantaa jatkettiin yli 30 vuotta.
Japanin tutkijat toivoivat havaitsevansa neutriinoja suurempina määrinä. Kokeilu oli 3 300 metriä maan alla sinkkikaivoksessa. Super-Kamiokande eli Super-K, kuten sen tiedetään, aloitti toimintansa vuonna 1996. Ilmaisin koostuu 50 000 tonnista vettä kupusäiliössä, jonka seinät on peitetty 13 000 valoanturilla. Anturit havaitsevat satunnaisen sinisen salaman (liian heikko, jotta silmämme eivät voisi nähdä), joka tapahtuu, kun neutriino törmää vedessä olevan atomin kanssa ja luo elektronin. Ja jäljittämällä tarkan polun, jonka elektroni kulki vedessä, fyysikot voivat päätellä törmättävän neutriinon lähteen avaruudessa. He löysivät suurimman osan auringosta. Mittaukset olivat riittävän herkkiä, jotta Super-K pystyi seuraamaan auringon polkua taivaan poikki ja melkein mailin päästä maanpinnan alapuolelta katsomaan päivän muutosta yöksi. "Se on todella jännittävä asia", sanoo Massachusettsin teknillisen instituutin fyysikko Janet Conrad. Hiukkasraidat voidaan koota luomaan ”kaunis kuva, kuva auringosta neutriinoissa”.
Mutta Homestake- ja Super-K-kokeet eivät havainneet niin monta neutriinoa kuin fyysikot odottivat. Sudbury Neutrinon observatorion (SNO, lausuttu ”lumi”) tutkimus päätti miksi. SNO, joka on asennettu 6 800 metrin syvyyteen nikkelikaivokseen Ontariossa, sisältää 1100 tonnia "raskasta vettä", jossa on epätavallinen vetymuoto, joka reagoi suhteellisen helposti neutriinojen kanssa. Neste on säiliössä, joka on ripustettu valtavan akryylipallin sisäpuolelle, jota pidetään itsessään geodeettisen ylärakenteen sisällä, joka absorboi tärinää ja johon on ripustettu 9 456 valotunnistinta - koko asia näyttää 30 jalkaa korkealta joulukuusen koristeelta.
SNO: ssa työskentelevät tutkijat havaitsivat vuonna 2001, että neutriino voi siirtyä spontaanisti kolmen eri identiteetin välillä - tai kuten fyysikot sanovat, se värähtelee kolmen maun välillä. Löytöllä oli hämmästyttäviä vaikutuksia. Ensinnäkin se osoitti, että aiemmissa kokeissa oli havaittu paljon vähemmän neutriinoja kuin ennustettiin, koska instrumentit viritettiin vain yhteen neutrinoaromiin - sellaiseen, joka luo elektroni - ja puuttuivat niistä, jotka vaihtoivat. Toisaalta löytö kaatoi fyysikkojen uskomuksen, että neutrinoilla, kuten fotonilla, ei ole massaa. (Makujen värähtely on asia, jonka vain massan omaavat hiukkaset pystyvät suorittamaan.)
Kuinka paljon massaa neutriinoilla on? Fyysikot rakentavat sen selvittämiseksi KATRINia - Karlsruhen tritiumneutrino-kokeilua. KATRINin liiketoiminnan lopussa on 200 tonnin laite, nimeltään spektrometri, joka mittaa atomien massaa ennen ja jälkeen niiden hajoamisesta radioaktiivisesti - siten paljastaen kuinka paljon massaa neutriino kuluttaa. Teknikot rakensivat spektrometrin noin 250 mailin päässä Karlsruhesta, Saksasta, missä kokeilu toimii; laite oli liian suuri alueen kapeille teille, joten se laitettiin veneelle Tonavan joelle ja kellui Wienin, Budapestin ja Belgradin ohi, Mustallemerelle Egeanmeren ja Välimeren kautta, Espanjan ympärille, Kanaalin kautta, Rotterdamiin ja Reiniin, sitten etelään Saksan Leopoldshafen-joen satamaan. Siellä se purettiin kuorma-autoon ja puristettiin kaupungin läpi määränpäähänsä kaksi kuukautta ja 5600 mailia myöhemmin. Tietojen keruun on määrä alkaa vuonna 2012.
Fyysikot ja tähtitieteilijät, jotka ovat kiinnostuneita tiedoista, joita ulkoavaruudesta saatavilla neutriinoilla voi olla supernovojen tai törmäävien galaksien ympärillä, ovat asettaneet neutrinooteleskoopit. Yksi, nimeltään IceCube, on Antarktisen jääkentän sisällä. Valmistuttuaan vuonna 2011 se koostuu yli 5000 sinisen valon anturista (katso yllä oleva kaavio). Anturit eivät ole suunnattu taivaalle, kuten saatat odottaa, vaan kohti maata havaitakseen auringosta ja ulkoavaruudesta tulevat neutriinot, jotka tulevat planeetan läpi pohjoisesta. Maa estää kosmiset säteet, mutta suurin osa neutriinoista vetoaa 8 000 mailin leveän planeetan läpi ikään kuin se ei olisi siellä.
Useiden keskilännen osavaltioiden alueella tapahtuu pitkän matkan neutriinokoe. Suuren energian kiihdytin, joka tuottaa alaatomisia hiukkasia, ampuu neutriinojen ja niihin liittyvien hiukkasten palkkeja jopa kuuden mailin syvyyteen Illinoisin pohjoisosan alla, Wisconsinin yli ja Minnesotalle. Hiukkaset alkavat Fermilabista, osana koetta nimeltä Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). Vähemmän kuin kolmetuhannesosaa sekunnissa, he osuivat ilmaisimeen Soudanin rautakaivoksessa, joka on 450 mailin päässä. Tutkijoiden keräämät tiedot vaikeuttavat heidän kuvaa tästä äärettömästä maailmasta: Nyt näyttää siltä, että neutrinoiden eksoottiset muodot, ns. Anti-neutriinot, eivät välttämättä noudata samoja värähtelysääntöjä kuin muut neutriinot.
"Mikä on hienoa", Conrad sanoo, "ei se ole sitä, mitä odotimme."
Neutriinoihin tulee hyvin vähän.
Ann Finkbeinerin viimeisin kirja, iso ja rohkea asia, käsittelee Sloan Digital Sky Survey -yritystä, pyrkimystä kartoittaa maailmankaikkeus.
Suurin osa meitä pommittavista neutriinoista tulee auringosta, joka on esitetty tässä ultraviolettikuvassa. (NASA) 
Japanin kaverioottinen Super-Kamiokande-ilmaisin on vuorattu 13 000 tunnistimella, jotta ne pystyvät osoittamaan neutriinojen merkit. Veneen työntekijät seuraavat laitetta, kun se täyttyy vedellä. (Kamiokan observatorio, ICRR (Kosmisen säteilyn tutkimuslaitos), Tokion yliopisto) 
Sarjassa auringon ytimen reaktioita vetyatomit luovat heliumia fuusion avulla. Prosessi vapauttaa energiaa ja subatomisia hiukkasia, mukaan lukien neutriinot. Kun fotoni tai valopartikkeli poistuu auringon tiheästä ytimestä, se jää loukkuun lämmön ja raivoihin eikä välttämättä pääse meihin miljoonien vuosien ajan. Mutta aurinko-neutriinoa ei havaita ja se saavuttaa maan kahdeksassa minuutissa. (Samuel Velasco / 5W infografia) 
Kanadan Sudbury Neutrino-observatorio vahvisti, että neutriino voi muuttaa henkilöllisyyttään. (SNO) 
New Yorkissa sijaitsevan Brookhavenin kansallisen laboratorion fyysikot, jotka näkyvät laboratorion STAR-ilmaisimessa, toivovat ampuvansa neutriinisäteen maan alla Homestake-kaivokseen Etelä-Dakotaan. (BNL) 
MINOS-neutriinodetektori Minnesotassa on kohdistunut Illinoisista ampuville neutriinisäteille. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRIN-spektrometri, joka mittaa neutriinon massaa, puristetaan Saksan Leopoldshafenin läpi matkalla laboratorioon. (Karlsruhen teknillinen instituutti) 
Antarktikan IceCube-neutriinodetektori on upotettu jäähän. 5000 anturilla, jotka on kiinnitetty yli 70 linjaan, IceCube etsii neutriinoja, jotka ovat kulkeneet 8000 mailia planeetan läpi. (Wisconsinin yliopisto - Madison) 
Anturijono laskeutuu 8000 jalkaa syvään reikään. (Jim Haugen / Kansallinen tiedesäätiö)
