Neutrino
De ce există mai degrabă ceva decât nimic?
Sunt ani de când am auzit această intrebare, una dintre cele mai vechi ale filosofilor, iar credința mea secretă a fost că asta e o intrebare fără răspuns, care vine din partea celor care știu că există numai din momentul in care știu că gândesc.
Vorbind in calitate de singur existent, nu ai prea mult de cunoscut rațional sau experimental despre ceea ce nu ar exista material, tot ceea ce poți spune despre asta ar veni din alte surse.
Insa zilele trecute am văzut-o reformulată de oamenii de știință la modul: de ce universul actual este material, in condițiile in care avem motive să credem că materia și antimateria au apărut impreună in ceea ce s-a numit Big Bang? De ce există mai multă materie decât antimaterie, in condițiile in care ele ar trebui să se anuleze constant una pe alta si universul să fie numai energia care rezulta din acest proces de anulare? Cum se face că există materie, deși ceea ce ar trebui să existe mai degrabă este chiar nimicul?
Și nu numai că au formulat intrebarea, ci au creat și un model experimental de a cerceta chestiunea – și probabil de a prospecta surse de energie.
În urmă cu aproape șapte ani au inceput excavările intr-o fostă mină de aur de lângă Lead, Dakota de Sud – se amenajează trei caverne subterane cu o lungime de câte 500 de metri și inălțime cât o o clădire cu șapte etaje in cadrul a ceea ce se numește proiectul DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) conceput de oamenii de știință de la Fermilab din cadrul Departamentului de Energie al SUA (conform news.yahoo.com)
In cele din urmă, fiecare cavernă va fi umplută cu 17.500 de tone de argon lichid – aceste cuve sunt menite să creeze mediul potrivit de a detecta particulele numite neutrino, particule subatomice care nu au sarcină electrică și nu interacționează aproape niciodată cu nimic și ca atare nu pot fi detectate in condiții obișnuite.
„Dacă ții mâna în sus, sunt 10 miliarde de neutrini de la soare care trec prin mâna ta, în fiecare secundă“, a declarat pentru Business Insider fizicianul Mary Bishai și purtător de cuvânt al DUNE.
Atenție, neutrino sunt total diferiți de neutronii cu care suntem ceva mai familiarizați din fizica de la școală!
Neutronii sunt mari și sunt formați din mai multe alte particule și fac parte din nucleul atomic, în timp ce neutrinii sunt particule minuscule, unice, fără niciun efect. Explicaţie: Nu există o relație reală între neutroni și neutrini, cu excepția faptului că ambii nu poartă nicio sarcină (neutră). Sunt particule separate în aproape orice alt fel. Neutronii sunt un tip de nucleon, adică se găsesc în nucleu. Ele sunt, de asemenea, un barion, deoarece sunt compuse din trei quarci: unul în sus și doi în jos. Neutronul are o sarcină totală de 0 , și o masă de puțin peste 1 unitate de masă atomică, sau aproximativ 1.675 ⋅ 10 − 27 k g , care este destul de mare în ceea ce privește fizica particulelor. Neutrinii sunt mai asemănători cu electronul și sunt o particulă fundamentală în sine. Ele nu au nicio sarcină, o masă foarte mică și sunt într-adevăr afectate doar de forța nucleară slabă, ceea ce înseamnă că miliarde dintre ele trec prin noi în câteva secunde și au un efect foarte mic.
De ce sunt neutrino interesanți? Pentru că se spune despre ei că ar putea deține cheia pentru a dezvălui secretele universului, de la ce s-a întâmplat imediat după Big Bang până la observarea nașterii unei găuri negre. Studierea unei particule care nu emite radiații și care este mai ușoară decât un electron pune mari probleme. „Interacțiunile neutrinilor sunt aproape niște ace în carul cu fân”, a declarat Bishai. De aici ideea de a construi proiectul DUNE, care va avea cele mai mari detectoare de neutroni de acest tip construite vreodată.
După ce cavernele din Dakota de Sud vor fi construite și amenajate, experimentul este conceput pentru a porni cu o serie de acceleratoare de particule la Fermilab, în afara orașului Chicago, Illinois. Acceleratoarele vor lansa un fascicul extrem de puternic de neutrini, care va trece mai întâi printr-un detector de la Fermilab. Fasciculul va călători apoi în subteran cca 1300 km până la detectoarele din Dakota de Sud. De-a lungul acestei distanțe, accelerați fiind, neutrinii vor oscila mereu intre cele trei stări care le sunt tipice (fizicienii le compară cu un soi de pisică ce devine sub ochii noștri jaguar, apoi tigru și din nou pisică).
Așadar, ce are să ne spună comportamentul neutrinilor despre natura universului?
„Imediat după Big Bang, materia și antimateria au fost create într-o cantitate aproape egală”, spune Mary Bishai, fizician la Femi Labs, implicată in proiectul DUNE. Dar astăzi, din ceea ce pot spune oamenii de știință, universul este alcătuit aproape în întregime din materie.
„De ce am ajuns să avem un univers de materie și nu un univers de antimaterie?”, a adăugat ea.
Particulele au parteneri din lumea oglindă numiți antiparticule sau antimaterie. Aceste particule de antimaterie au aceeași masă ca și particulele de materie pe care le cunoaștem, dar sunt opuse în toate celelelalte moduri posibile. Toate proprietățile cuantice (cum ar fi spinul și sarcina) sunt inversate. O lume din antimaterie probabil că ar fi destul de asemănătoare cu a noastră, cu antiprotoni și antineutroni combinându-se cu pozitronii (versiunea antimaterie a unui electron) pentru a forma antiatomi și chiar antimolecule. Nu vedem multă antimaterie în aceste zile – când antimateria interacționează cu materia, cele două se anihilează într-o explozie de energie.
Când s-a format universul, oamenii de știință cred că materia și antimateria au fost produse în cantități egale și ar fi trebuit apoi să se anihileze una pe alta. Dar ceea ce vedem și simțim in jur este o lume de materie – așadar cum se face că materia „a invins“? Cine a tulburat echilibrul, astfel incat balanța să se incline in favoarea materiei?
S-a presupus că tocmai neutrinii ar fi „de vină“, pentru că ar fi propria lor antimaterie – respectiv neutrinii și partenerii lor de antimaterie, antineutrinii ar fi de fapt același lucru (diferind doar prin helicitate – o chestiune pură de palindromie). Dacă neutrinii și antineutrinii nu funcționează ca materia și antimateria normale, ei ar putea ajuta la explicarea modului în care toată această materie a supraviețuit și a evoluat în universul pe care îl vedem astăzi.
Ideea ca neutrini și antineutrini să fie același lucru poate suna contraintuitiv. La urma urmei, cum poate versiunea opusă a ceva să fie aceeași cu originalul? În parte, se datorează faptului că anumite proprietăți ale neutrinilor neutri nu pot fi inversate. Electronul are o sarcină negativă (-1), deci particula sa de antimaterie, pozitronul, are o sarcină pozitivă (+1). Dar neutrinii au o sarcină de zero – iar sarcina opusă de zero este încă zero.
Cu alte cuvinte – lumea aceeasta este materiale in urma unui dezechilibru. Lumea este materială pentru că există in lume ceva care isi este propriul contrariu, respectiv există palindromul.
Dacă insă acest ceva nu ar mai fi propriul contariu, ci s-ar diferenția, ca toată lumea, in materie și antimaterie, lumea s-ar reduce la energie, practic ar exploda. Dacă ar face-o controlat, pe o arie restricționată, am avea cea mai puternică sursă de energie. Cercetăm acest lucru. Dar dacă am descoperi că neutrino au și ei o antiparticula, ca toată lumea, ar insemna probabil ca nu sunt ei autorii materialității acestei lumi.
Un alt mod de a încadra acest mister este să întrebi dacă neutrinii sunt particule Majorana sau Dirac.
Particulele care diferă de antiparticulele lor sunt numite „particule Dirac”, numite după Paul Dirac, care a scris ecuația care a prezis pentru prima dată particulele de antimaterie în 1928. (Antimateria a fost descoperită în 1932 de Carl Anderson.)
Pe de altă parte, particulele care pot acționa și ca propria antiparticulă sunt numite „particule Majorana”, numite după Ettore Majorana. În 1937, el a propus teoria conform căreia neutrinii cu masă ar putea fi capabili să se transforme în antiparticulele lor și înapoi. Acest lucru nu ar fi total nebunesc – oamenii de știință au mai văzut particule de Majorana. O particulă care este propria sa antiparticulă este fotonul, o particulă de lumină.
Oamenii de știință încearcă să rezolve acest caz efectuând experimente dificile care necesită condiții extrem de reci și curate.
Fasciculul DUNE este conceput pentru a crea atât neutrini, cât și antineutrini – versiunea antimaterie. Observarea oscilațiilor din fiecare tip ar putea ajuta oamenii de știință să-și dea seama ce s-a întâmplat cu toată antimateria.
În prezent, există mai multe proiecte privind neutrinii în întreaga lume, inclusiv la Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) și la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN). Ceea ce face ca DUNE să fie unic este utilizarea argonului (pentru a crea un mediu extrem de fin detector de neutrino) și distanța mare dintre cele două detectoare: intre Illinois și Dakota de Sud sunt cca 1300 km.
Proiectul a avut unele eșecuri în ceea ce privește bugetul și calendarul, a relatat Scientific American în 2022. Ar trebui să aibă patru detectoare cu argon, dar va începe cu două. Primul ar putea fi funcțional până la sfârșitul anului 2028.
Intre timp, cel mai îndepărtat detector de particule de pe Pământ a detectat cea mai energică particulă de antimaterie de până acum: o singură particulă ultrauşoară care a lovit gheaţa din Antarctica cu energia (relativ) tunătoare a 6.300 de ţânţari zburători. Ciocnirea a avut loc în 2016, dar cercetătorii au confirmat detaliile evenimentului doar pe 10 martie 2021 într-o lucrare publicată în revista Nature. Acest antineutrin, contrapartida de antimaterie a neutrinilor, s-a ciocnit cu un electron undeva în gheața Antarcticii la aproape viteza luminii. Acea coliziune a creat o ploaie de particule detectate de Observatorul de neutrini IceCube îngropat – o instalație responsabilă pentru o mare parte din cercetarea importantă a neutrinilor de înaltă energie din ultimul deceniu, după cum a raportat Live Science. Acum, fizicienii IceCube raportează că acea ploaie de particule reprezenta dovada unui eveniment cunoscut sub numele de „rezonanța Glashow” – teoretizată de mult, dar niciodată observată până acum.
În 1960, fizicianul Sheldon Glashow, pe atunci cercetător postuniversitar la Institutul Nordic de Fizică Teoretică din Danemarca, a prezis că atunci când un antineutrin cu energie suficient de mare se va ciocni cu un electron, acesta va produce o particulă grea, de scurtă durată, cunoscută sub numele de un boson W. Predicția lui Glashow s-a bazat pe regulile fundamentale ale modelului standard al fizicii particulelor, o teorie care domină modul în care cercetătorii înțeleg totul, de la interiorul atomilor la lumină la antimaterie.
Detectarea rezonanței Glashow este o confirmare puternică a modelului standard. Dar necesită ca neutrinul să transporte mult mai multă energie decât poate produce orice accelerator de particule din 1960 – sau 2021 –: 6,3 petaelectronvolți (PeV).
Un alt mod de a ne gândi la 6,3 PeV: este de 450 de ori energia maximă pe care Large Hadron Collider – acceleratorul CERN, lung de 17 mile (27 de kilometri), responsabil cu detectarea bosonului Higgs – ar fi capabil să o producă. sfârșitul anilor 2020 în urma actualizărilor în curs.
Având în vedere energia uriașă necesară, nimeni nu spera să repereze rezonanța lui Glashow folosind doar instrumente umane. Dar IceCube, care detectează particulele care cad din cer, primește asistență din partea vastului univers. Particula care a lovit gheața în 2016 a produs o ploaie caracteristică de particule despre care cercetătorii spun acum că provine dintr-un boson W în descompunere, care este o particulă fundamentală despre care se crede că, împreună cu bosonul Z, este responsabilă pentru forța slabă. Și acesta este semnul revelator al unui antineutrin de 6,3 PeV și al rezonanței lui Glashow.
Revenind la proiectul DUNE: va emite deci neutrino ca o supernovă, va studia oscilația acestora intre cele trei stări și va arăta dacă neutrino este sau nu propriul antineutrino. Dar daca acesta se obține cumva dintr-un neutrino, un neutrino putem urmări – cu ajutorul acestui cel mai complex instrument de măsură care este DUNE putem masura oscilațiile lui intre cele trei stări de transformare. Apare atunci inclusiv ca antineutrino? De unde, când și cum și cum se dezvoltă acest presupus antineutrino? Interacționează cei doi? Interacționează cu observatorul? Cum influențează observatorul fenomenul?
Deocamdată ceea ce se cunoaște este că oscilația continuă a lui neutrino intre cele 3 stari ale sale face imposibila aparitia unui antineutrino separat și deci reacția de anulare a materiei. Lumea materială există deci prin această continuă oscilație – ceea ce ne duce cu gândul la trigramele care marchează stările prin care trece raportul yin-yang, ne amintește de voința entității trinitare (in trei ipostasuri, după modelul ortodox) prin care toate s-au făcut, dar și de cele trei stadii de agregare prin care trece opera alchimice – nigredo, rubedo, albedo – inainte de a da naștere ființei perfecte yin-yang sau hermafrodite. Să fie o ironie cosmică sau o intelepciune sau o realitate cosmică faptul că marile cuve care vor permite observarea celor trei stadii de oscilație ale lui neutrino să se afle chiar intr-o mină de aur, echivalând cu un cazan din aur? Să avem aici un soi de operă alchimică? Sau să fie recunoașterea unor eforturi de milenii, marcate de străvechii autori care au consemnat transformările elementelor in trigrame, apoi marcate de eforturile alchimiștilor de a ajunge la punctul precis unde din lumea materială poate fi agregată insăși totalitatea, eternitatea, perfecțiunea?
Dar va putea oare răspunde un model fizic intrebarii: de ce există mai degrabă ceva decât nimic? Aici „există mai degrabă ceva“ stă pentru materialitate. Deci, de ce suntem intr-un univers material (cu evidentul corolar – cum putem evada din materialitate)?
Răspunsurile filosofilor țin de natura voinței (divine) și de natura percepției observatorului, acel principiu cuantic care ne eliberează și care susține, in esență, că universul nostru are atâtea dimensiuni câte ii percepem. Totuși, acest principiu este doar enunțat, iar cea mai probabilă – și cea mai ambițioasă – misiune a proiectului DUNE este de a-l demonstra, la limita imponderabilă și neutră (sau neutrinică) intre existență și anti-existență.
Lasă un răspuns