Neutrina przewyższają liczbę elektronów, protonów i neutronów we Wszechświecie około miliard razy, ale prawie nie oddziałują z materią. Uważane kiedyś za cząstki bezmasowe, mają masę spoczynkową, chociaż ich dokładne masy nie są znane. Typowe neutrino wytwarzane w jądrze Słońca może przemknąć przez blok ołowiu o długości jednego roku świetlnego (około dziesięciu bilionów kilometrów), nie uderzając w nic. To sprawia, że neutrina są trudne do zbadania. Mimo to ich liczebność sprawia, że odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu kosmosu.
Niedawno opublikowany artykuł Argüellesa i in. w czasopiśmie Physical Review X pokazuje, że pomiary neutrin powstałych w atmosferze ziemskiej można wykorzystać do określenia właściwości tej nieuchwytnej cząstki. To może następnie dostarczyć wskazówek na temat powstawania całego Wszechświata.
Neutrina są cząstkami subatomowymi i istnieją trzy znane ich odmiany: neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe – uważa się, że ich typ jest ustalany w momencie powstania. Neutrina mogą powstawać na różne sposoby, na przykład podczas wybuchu supernowej. Co ciekawe, neutrina mogą zmieniać się z jednego typu w inny, co może zdarzyć się na przykład podczas przelotu przez planetę. Takie zmiany nazywane są mieszaniem kwantowym.
Fizycy badają neutrina na różne sposoby, na przykład generując je za pomocą akceleratorów cząstek, obserwując je w naturze oraz badając sposoby, dzięki którym powstają w atmosferze ziemskiej, gdy promienie kosmiczne zderzają się z różnymi cząsteczkami. Argüelles i współpracownicy skupili swoje wysiłki właśnie na tej trzeciej metodzie.
Lokalizacje eksperymentów wykorzystanych w pracy Argüellesa i in.. Należy pamiętać, że Hyper-Kamiokande ma mniej więcej tę samą lokalizację co Super-Kamiokande. Źródło: Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041055
Obecne metody mające na celu badanie neutrin zazwyczaj wymagają budowania komór wodnych lub lodowych z fotodetektorami wystarczająco czułymi, by dostrzec neutrina zderzające się z atomami w zbiorniku. Badając powstały w tym procesie sygnał świetlny, badacze mogą określić rodzaj neutrina biorącego udział w kolizji, jego poziom energii oraz odległość, którą przebyło przed wystąpieniem zderzenia.
W wyżej wymienionym artykule naukowcy opisują, w jaki sposób przeprowadzili analizę oczekiwanych czułości obecnych i przyszłych eksperymentów mających na celu badanie neutrin powstających w atmosferze Ziemi. Naukowcy badają neutrina z nadzieją, że pomoże to odkryć niektóre z największych tajemnic fizyki, takich jak natura grawitacji i ciemna materia. Jak zauważa zespół zajmujący się opisywanym przedsięwzięciem, opracowanie sposobów dokładniejszego pomiaru neutrin doprowadziłoby do lepszego zrozumienia sposobu działania mieszania kwantowego. Jednym z celów projektu jest określenie mas trzech typów neutrin.
Analizując dużą próbkę dotychczasowych detekcji zespół badaczy stwierdził, że tempo, w jakim gromadzone są te informacje powinno pozwolić na określenie mas neutrin do roku 2030.
Więcej informacji:
- Publikacja "Pomiar oscylacji za pomocą miliona neutrin atmosferycznych": C. A. Argüelles et al, "Measuring Oscillations with a Million Atmospheric Neutrinos", Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041055
- Publikacja "Ziemska atmosfera może odkryć tajemnice neutrin": Josh Spitz, "Neutrino secrets could be revealed by Earth's atmosphere", Nature (2023)
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Zdjęcie atmosfery Ziemi nr ISS067-E-70919 wykonane 21 maja 2022 r. Źródło: NASA/Keegan Barber and NASA/Bill Ingalls.
