Kodėl fizikai medžioja keistiausią iš Dvasios dalelių


Kiekvieną kartą kiekvieną dieną, kai trilijonais subatominių dalelių, jūs bombarduojate trilijonus, nusausindami nuo erdvės gelmių. Jie pučia jus per kosminės uragano stiprumą, sprogdami beveik šviesos greičiu. Jie ateina iš viso dangaus, bet kuriuo paros metu ir naktį. Jie įsiskverbia į Žemės magnetinį lauką ir mūsų apsauginę atmosferą, kaip ir daug sviesto.

Ir vis dėlto plaukai ant galvos viršaus nėra netgi sumušti.

Kas vyksta?

Šitos mažos mažos kulkos vadinamos neutrinos, kurios 1934 m. Įkvėpė puikus fizikas Enrico Fermi. Žodis yra neaiškiai itališkas „mažai neutraliam“, o jų buvimas buvo hipotezuotas, kad paaiškintų labai įdomią branduolinę reakciją. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Kartais elementai jaučiasi šiek tiek… nestabilūs. Ir jei jie paliekami vieniši per ilgai, jie suskirsto ir transformuojasi į kažką kito, kažką šiek tiek lengvesnį ant periodinės lentelės. Be to, pasirodys nedidelis elektronas. Tačiau 20-ajame dešimtmetyje kruopščiai ir išsamiai stebint tuos gedimus pastebėta nedidelių nigglingų neatitikimų. Bendra energija proceso pradžioje buvo šiek tiek didesnė už išeinančią energiją. Matematika nebuvo pridėta. Keista.

Taigi, keletas fizikų iš viso audinio susikaupė visiškai naują dalelę. Kažkas, kad būtų pašalinta trūkstama energija. Kažkas mažas, kažkas lengvas, kažkas be kaltės. Kažkas, kas galėtų nepastebėti per savo detektorius.

Šiek tiek neutralus. Neutrinas.

Prireikė dar kelis dešimtmečius, kad patvirtintų jų egzistavimą. Tačiau 1956 m. Neutrinai prisijungė prie augančios šeimos žinomų, išmatuotų, patvirtintų dalelių.

Ir tada viskas keista.

Sunku prasidėjo muono atradimas, kuris atsitiktinai įvyko tuo pačiu metu, kai neutrino idėja pradeda įgyti: 1930-aisiais. Muonas yra beveik toks pat kaip elektronas. Tas pats mokestis. Tas pats sukimas. Bet tai labai skiriasi vienu svarbiu būdu: sunkesnis, daugiau nei 200 kartų masyvesnis už savo brolį, elektroną.

Muonai dalyvauja savo pačių specifinėse reakcijose, bet nėra linkę ilgai trunkti. Dėl savo įspūdingo urmu, jie labai nestabilūs ir greitai įsiskverbia į mažesnių bitų dušus („greitai“ reiškia per mikrosekundę ar dvi).

Tai viskas gerai ir gerai, tad kodėl muonai įsilieja į neutrino istoriją?

Fizikai pastebėjo, kad puvimo reakcijos, rodančios neutrino egzistavimą, visada turėjo elektroną ir niekada nebuvo muonas. Kitose reakcijose muonai išnyks, o ne elektronai. Šiems rezultatams paaiškinti jie argumentavo, kad neutrinos visuomet susiliejo su elektronais šiose skilimo reakcijose (o ne kitose neutrino rūšyse), o elektronas, muonas, turi susieti su dar neatrastu neutrino tipu. elektronai draugiškas neutrinas nesugebėtų paaiškinti stebėjimo iš muono įvykių. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Ir taip medžioklė tęsėsi. Ir toliau. Ir toliau. Iki 1962 m. Fizikai pagaliau užsidėjo antrojo tipo neutrino. Iš pradžių jis buvo pavadintas „neutretu“, tačiau racionalesni vadovai galėjo būti vadinami „muon-neutrino“, nes jis visuomet susietas su reakcijomis su muonu.

Gerai, todėl du patvirtinti neutrinai. Ar gamta mums daugiau saugojo? 1975 m. Stanfordo linijinio pagreičio centro mokslininkai drąsiai perėjo monotoniškų duomenų kalnus, kad atskleistų dar sunkesnį brolį, turintį ryškų elektroną ir didelį muoną: užsikimšusį tau, laikydamasis 3 500 kartų didesnio elektrono masės. . Tai didelė dalelė!

Taigi iš karto klausimas tapo: Jei yra trijų dalelių šeima, elektronas, muonas ir tau… ar gali būti trečiasis neutrinas?

Galbūt ne. Gal yra tik du neutrinai. Gal yra keturi. Gal 17. Gamta iki šiol tiksliai neatitiko mūsų lūkesčių, todėl nereikia pradėti nuo dabar.

Per dešimtmečius praleidžiant daugybę baisių detalių, fizikai įsitikino, kad jie naudojasi įvairiais eksperimentais ir stebėjimais, kad trečiasis neutrinas turėtų egzistuoti. Bet ne tik tūkstantmečio kraštas, 2000 m., Specialiai sukurtas eksperimentas „Fermilab“ (vadinamas humoristiškai „DONUT“ eksperimentu, skirtas tiesioginiam „NU Tau“ stebėjimui, ir ne, aš to nepadarau) pakankamai patvirtintų pastabų, kad būtų galima teisingai reikalauti aptikimo.

Taigi, kodėl mums tiek daug rūpi neutrinai? Kodėl mes juos persekiojome jau daugiau nei 70 metų, nuo iki Antrojo pasaulinio karo iki šiuolaikinės eros? Kodėl šių mažų, neutralių mokslininkų kartos buvo taip sužavėtos?

Taip yra todėl, kad neutrinai ir toliau gyvena už mūsų lūkesčių. Ilgą laiką mes net nebuvo tikri, kad jie egzistavo. Ilgą laiką mes buvome įsitikinę, kad jie buvo visiškai beprasmiški, kol eksperimentai erzina, kad jie turi masę. Būtent „kiek“ išlieka moderni problema. Ir neutrinai turi šį erzinančią įpročius keisti charakterį, kai jie keliauja. Tai teisinga, nes neutrinas vyksta skrydžio metu, jis gali perjungti kaukes tarp trijų skonių.

Gali būti, kad ten vis tiek gali būti papildomas neutrinas, kuris nedalyvauja jokioje įprastoje sąveikoje – kažkas žinomas kaip sterilus neutrinas, kurį fizikai džiaugiasi.

Kitaip tariant, neutrinai nuolat ginčija viską, ką žinome apie fiziką. Ir jei yra vienas dalykas, kurio reikia tiek praeityje, tiek ateityje, tai yra geras iššūkis.

Paul M. Sutter yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, Paklauskite Spaceman ir „Space Radio“, ir autorius Jūsų vieta Visatoje.

Iš pradžių buvo paskelbta „Live Science“.