Neutrino, particula-fantomă din spatele premiului Nobel pentru Fizică
Fizica neutrino s-a dovedit de-a lungul deceniilor o rampă de lansare către cel mai prestigios premiu științific. Până în prezent, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat de cinci ori pentru cercetări legate de detectarea și descoperirea neutrino. Ediția din acest an îl recompensează pe Francis Halzen „pentru contribuții decisive la Observatorul de Neutrino IceCube și pentru descoperirea neutrinilor de înaltă energie de origine astrofizică”.
Trei arome, masă minusculă și nicio sarcină electrică
Neutrino sunt particule elementare, adică, după cunoștințele actuale, nu pot fi descompuse în componente mai mici. Există trei „arome” de neutrino: electron, muon și tau. Spre deosebire de alte particule elementare, neutrino nu au sarcină electrică. Deși au masă, aceasta este incredibil de mică – de aproximativ zece milioane de ori mai mică decât cea a unui electron. Oamenii de știință nu cunosc masa exactă a neutrinilor și nici de unde provine ea.
Pentru că interacționează foarte slab cu materia, neutrino pot traversa spațiul aproape cu viteza luminii. Unele provin de la Soare, altele din spațiul îndepărtat, iar altele din surse necunoscute. Se estimează că există 10⁸⁹ neutrino, adică un miliard pentru fiecare atom din univers. „Neutrino sunt particule cu adevărat fantomatice”, a declarat George Fuller, profesor de fizică la University of California San Diego. „Este greu să le oprești. Este greu să le prinzi.”
O interacțiune de 20 de ordine de mărime mai slabă decât electromagnetismul
Existența neutrinilor este confirmată prin interacțiunea slabă, numită astfel pentru că este de aproximativ 20 de ordine de mărime mai slabă decât electromagnetismul. Această interacțiune permite detectarea lor, dar face aproape imposibilă observarea fără măsuri extraordinare. În același timp, tocmai slăbiciunea interacțiunii le permite să traverseze cosmosul și să scape din mediile dense din jurul stelelor care se prăbușesc și al găurilor negre. Ele străbat corpul uman cu o rată de 100 de miliarde pe centimetru pătrat pe secundă. „Pentru că interacțiunea este atât de slabă, neutrino pot trece prin aproape orice”, a explicat Fuller. „Ani-lumină de plumb – în funcție de energie, ar trece drept prin el.”
De la o particulă „indetectabilă” la gheața de la Polul Sud
În anii 1930, Wolfgang Pauli a postulat existența neutrinilor pentru a explica pierderea invizibilă de energie din anumite radiații. La acea vreme, el a afirmat: „Am făcut un lucru teribil, am postulat o particulă care nu poate fi detectată.” Pentru o perioadă, a avut dreptate. Abia în 1956, Clyde Cowan și Frederick Reines au reușit să detecteze neutrino printr-un experiment numit „Project Poltergeist”.
În anii 1990, Halzen a realizat că poate construi un detector uriaș la Polul Sud, unde gheața antarctică de la mare adâncime este lipsită de contaminanți și bule care ar interfera cu detectarea. El și echipa sa au forat găuri într-un kilometru cub de gheață și au plasat în ele șiruri de tuburi fotomultiplicatoare, creând o rețea capabilă să detecteze lumina albastră a radiației Cerenkov – un semn vizibil al neutrinilor cosmici de înaltă energie.
Doar câteva zeci de neutrino astrofizici pe an
IceCube este proiectat să detecteze neutrino de energie ultra-înaltă din spațiul îndepărtat, mult mai rare decât cele care vin de la Soare. În fapt, doar câteva zeci sunt detectate anual. Când un astfel de neutrino lovește gheața, creează un electron sau un muon rapid. Muonul generează un con de lumină Cerenkov, permițând oamenilor de știință să urmărească direcția din care a venit neutrino și să îi estimeze energia. „Unii neutrino de energie ultra-înaltă detectați la IceCube au de aproximativ 10 miliarde de ori energia unui neutrino tipic de la Soare. Unul detectat de un experiment similar are o energie de 200 de ori mai mare. Nu știm cu adevărat de unde a venit acel neutrino”, a spus Fuller. „Faptul că a ajuns aici poate spune ceva profund despre univers.”
Și Simons Observatory, construit în deșertul Atacama din Chile, contribuie la această căutare. Observatorul colectează date despre radiația cosmică de microunde, cea mai veche lumină a universului, și ar putea oferi cele mai multe date de până acum despre neutrinii din spațiul îndepărtat, ajutând la înțelegerea Big Bang-ului și a fazelor timpurii ale universului.
