Zadziwiające odkrycia i nowe teorie naukowe o neutrinach

Neutrina, tajemnicze i trudne do wykrycia cząstki elementarne, fascynują naukowców od lat. Pomiary wykonane pod koniec lat 60. XX wieku sugerowały, że tylko około jednej trzeciej neutrin dociera na Ziemię z Słońca – gigantycznego reaktora syntezy jądrowej. Wywołało to burzę spekulacji, że nasza gwiazda macierzysta wypala się i umiera. Jak się jednak okazało, japoński detektor pod koniec ubiegłego wieku odkrył przyczynę tego deficytu: neutrina zmieniają swój typ podczas lotu przez przestrzeń kosmiczną.

Nowy detektor neutrin w USA

Fizycy, ciągle poszukując odchyleń od znanych teorii, takich jak model standardowy, budują w USA nowy detektor neutrin w ramach projektu DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Detektor ten powstaje w opuszczonej kopalni złota w Południowej Dakocie, na głębokości około 1,5 km. Medium detekcyjnym nie będzie woda, ale 70 tys. ton schłodzonego do bardzo niskich temperatur argonu.

Neutrina z Fermilab

Co ciekawsze, neutrina będą napływać do nowego detektora nie tylko ze Słońca czy kosmosu, ale również z akceleratora znajdującego się w Fermilab w stanie Illinois, oddalonego o 1,3 tys. km. To, co wydarzy się z neutrinami podczas ich podróży, może odpowiedzieć na wiele fundamentalnych pytań dotyczących fizyki.

Oczekiwania od projektu DUNE

Budowę detektora rozpoczęto w 2017 roku, a naukowcy oczekują, że pierwszy detektor zacznie zbierać dane w 2029 roku. Zanim jednak eksperyment będzie działał na pełnych obrotach, minie kolejne dziesięć lat. Jednym z głównych celów eksperymentu jest zrozumienie, dlaczego świat składa się z materii, a nie z antymaterii. Naukowcy wierzą, że badając neutrina, uda im się odkryć, dlaczego materia dominuje we wszechświecie.

Tajemnice supernowych

Neutrina mogą również pomóc zrozumieć supernowe – masywne gwiazdy, które wybuchają pod koniec swojego życia. Eksplozje te są jednymi z najbardziej niszczycielskich wydarzeń w kosmosie, a wykrywanie neutrin z takich eksplozji może przyczynić się do zgromadzenia ogromnej ilości wiedzy. Detektory takie jak DUNE będą w stanie wychwycić tysiące neutrin z takich wydarzeń.

Nowe granice fizyki

Projekt DUNE może również przyczynić się do zrozumienia innych, głęboko zakorzenionych tajemnic fizyki, jak np. rozpad protonu. Teorie wykraczające poza model standardowy sugerują, że protony mogą się rozkładać, choć ich średni czas życia jest wielokrotnie dłuższy niż wiek wszechświata. Jeśli DUNE wykryje rozpad protonu, będzie to mocna wskazówka na istnienie nowej fizyki.

Wyścig po nowe odkrycia

Jak dotąd, akceleratory takie jak LHC w CERN potwierdziły istnienie bozonu Higgsa, ale nie odkryły niczego przełomowego poza tym. Eksperymenty takie jak DUNE będą trwać przez wiele lat, a ich koszt rozkłada się na dziesięciolecia. Choć są drogie, technologie rozwinięte podczas tych badań mogą być wykorzystane w medycynie, a także przyciągnąć nowe pokolenie naukowców do nauk ścisłych.

Osobista motywacja naukowców

Stefan Söldner-Rembold, fizyk z Imperial College London, mówi, że jego główną motywacją jest zrozumienie, jak działa wszechświat. Badania nad neutrinami mają również bardzo praktyczne zastosowania, np. w monitorowaniu reaktorów jądrowych. Neutrina, przenikające przez materię, mogą dostarczyć informacji o rodzaju paliwa jądrowego używanego w reaktorach, co jest kluczowe dla bezpieczeństwa i zapobiegania nielegalnej produkcji broni jądrowej.

Eksperyment DUNE to imponujące przedsięwzięcie, które ma szansę odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące kosmosu i przyczynić się do rozwoju nauki na wiele sposobów.