Neutrina

Neutrina są cząstkami elementarnymi, które są zaliczane do leptonów. Są to fermiony o spinie równym ½. Mają zerowy ładunek elektryczny, a w modelu standardowym są klasyfikowane jako cząstki podstawowe. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wykazały, że mają one masę spoczynkową o wartości bliskiej zera. Powstają one na skutek rozpadu beta plus. Ich nazwa powstała jako włoskie zdrobnienie neutronu, a jej autorem jest fizyk Enrico Fermi.

Oddziaływania i historia odkrycia neutrin

Neutrina, będące cząsteczkami bardzo słabo oddziałującymi z materią były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie było pierwotnie przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w 1930 roku. Pauli wywnioskował istnienie takiej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów, jakie powstają w rozpadzie beta. Doświadczalnie istnienie neutrin zostało potwierdzone w 1956 roku przez Fredericka Reines’a oraz Clyde’a Dowan’a. Co ciekawe neutrina nie oddziałują za pośrednictwem oddziaływań elektromagnetycznych i silnych, a przy pomocy oddziaływań grawitacyjnych i słabych. Są one na tyle przenikliwe, iż obiekt wielkości planety nie jest dla nich praktycznie żadną przeszkodą. Dla zobrazowania tego zjawiska można podać statystykę, która mówi, że przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca co sekundę przelatuje aż 65 miliardów neutrin.

Jądro atomowe wychwytuje Neutrina, które inicjują jego rozpad. Dzięki temu zjawiska można skutecznie wykrywać neutrina. Są one wychwytywane w gigantycznych basenach z superczystą wodą lub innymi substancjami umieszczonymi głęboko pod ziemią. Potem dokonuje się obserwacji powstałego w wyniku tych działań promieniowania. Obecny stan wiedzy pozwala stwierdzić, że niegdyś uważane za cząsteczki bezmasowe, neutrina mają niezerową masę spoczynkową, choć jej dokładne wartości nie są znane.

Eksperyment Super-Kamiokande zawierał w sobie m.in. doświadczenia oscylacji neutrin, które pozwoliły na zdefiniowanie różnicy między zapachami (Uwaga chodzi tutaj o pojęcie liczby kwantowej, przypisywanej w mechanice kwantowej!) neutrin na około 0,04 eV. Potencjalnie masa ta może stanowić najniższą możliwą masę jednego z rodzajów zapachów neutrin, z uwzględnieniem, iż drugi składnik ma masę niemierzalną. Górną granicę obliczono w przybliżeniu w trakcie badań kosmologicznych na 0,28eV. W latach 2011-2015 przeprowadzono eksperyment KATRIN, który przy wykorzystaniu rozpadu beta trytu był w stanie ograniczyć górną granicę masy neutrina najcięższego do wartości 200 meV z odchyleniem standardowym ≤ 2.

Skąd pochodzą neutrina?

Neutrina powstają na Ziemi w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery. Powstałe w ten sposób neutrina określamy atmosferycznymi. Są one również emitowane przez Słońce i inne źródła kosmiczne. Najwięcej spośród neutrin powstających ze źródeł sztucznych jest wytwarzane w elektrowniach jądrowych. Dla celów doświadczalnych wiązki wysokoenergetycznych neutrin tworzy się w akceleratorach.

Jako cząstki neutralne nie można ich przyspieszać bezpośrednio w akceleratorach wykorzystujących oddziaływania elektromagnetyczne. Stosuje się więc przyspieszanie protonów, które to oddziałują z tarczą i produkują wiele cząsteczek nietrwałych, głównie kaony i piony. Te zaś rozpadają się w locie i produkują między innymi neutrina o dużej energii, które poruszają się w kierunku zbliżonym do cząstek pierwotnych. Jedynym sposobem na skierowanie wiązki neutrin do detektora jest prawidłowe skierowanie wiązki pierwotnej protonów na tarczę, a także ogniskowanie naładowanych kaonów i pionów. W przyszłości przewidywana jest produkcja wiązek neutrin za pośrednictwem przyspieszenia w akceleratorach minionów bądź jąder beta-promieniotrwóczych, jakie miałyby się rozpadać na neutrina na specjalnie przygotowanych do tego odcinkach prostych akceleratora.