Yurii Mongol
0 
1652
296
Îmi place un mister bun, fie că se dovedește că majordomul a făcut-o sau dacă a fost colonelul Mustard în bibliotecă cu un sfeșnic.
Dar iubesc și mai mult misterele științifice.
Recent, oamenii de știință care fac cercetări la Fermi National Accelerator Laboratory, sau Fermilab, au anunțat o măsurare care este un adevărat puzzle. Ea implică o particulă subatomică numită neutrino, care este fantoma microcosmosului, capabilă să treacă pe Pământ fără a interacționa. Și asta ÎNAINTE să începem să vorbim despre chestii ciudate.
Măsurarea recentă, realizată printr-o colaborare a oamenilor de știință numită MiniBooNE, ar putea vesti posibila descoperire a unui nou tip de neutrino care ar putea fi sursa materiei întunecate - unul dintre cele mai presante conundrume ale astronomiei moderne. Însă, pentru a înțelege cum totul atârnă, trebuie să cunoașteți istoria neutrinilor, care este o poveste fascinantă cu răsucire și transformări care ar face capul Agatha Christie să se învârtă. [Cele mai mari 18 mistere nesoluționate în fizică]
Fizicianul austriac Wolfgang Pauli a propus pentru prima dată existența neutrinilor în 1930. Știm acum că neutrinii interacționează doar prin ceea ce este numit neimaginativ „forța slabă”, care este cea mai slabă dintre forțele care are impact asupra distanțelor mai mici decât atomii. Neutrinii sunt creați în reacțiile nucleare și în acceleratoarele de particule.
În 1956, o echipă de fizicieni conduși de americanii Clyde Cowan și Frederick Reines au observat pentru prima dată particulele fantomate. Pentru descoperirea lor, Reines a împărțit Premiul Nobel din 1995 pentru fizică. (Cowan a murit înainte de a fi acordat premiul.)
De-a lungul deceniilor, a devenit clar că există trei tipuri diferite de neutrini, numiți acum arome. Fiecare aromă de neutrino este distinctă, cum ar fi înghețata napolitane de vanilie, căpșuni și ciocolată din copilăria ta. Aromele reale ale neutrinilor provin din asocierea lor cu alte particule subatomice. Există neutrino electron, muon neutrino și neutru tau, care sunt legate la electron, muon și respectiv tau. Electronul este particula familiară din atomii interiori, iar muonul și tau sunt verii mai acruți și instabili ai electronului.
Fiecare aromă de neutrin este distinctă și niciodată nu se vor întâlni cele două (sau trei în acest caz). Sau așa părea.
În anii 1960 și 1970, a apărut un mister ... o enigmă neutrino, așa cum a fost. Cercetătorii americani Raymond Davis și John Bahcall au încercat să calculeze și să măsoare rata neutrinilor (în special neutrinii electroni) produși în cel mai mare reactor nuclear din jur: soarele. Când au fost comparate prezicerea și măsurarea, nu au fost de acord. Experimentatorul Davis a găsit doar aproximativ o treime cât mai mulți neutrini de electroni așa cum a prezis teoreticianul Bahcall.
Experimentul respectiv a fost uimitor. Davis a folosit un recipient de dimensiunea unei piscine olimpice plină cu lichid de curățare uscată standard pentru a detecta neutrinii. Ideea era că atunci când neutrinii de la soare loveau atomii de clor din fluidul de curățare uscată, acești atomi se vor transforma în argon. Davis avea să aștepte câteva săptămâni și apoi să încerce să extragă argonul. Se aștepta la ceva de genul 10 atomi de argon, dar a găsit doar trei. Da, ai citit așa ... doar trei atomi.
Pe lângă dificultatea experimentală, calculul pe care l-a făcut Bahcall a fost provocator și extrem de sensibil la temperatura de bază a soarelui. O modificare minusculă, minusculă a temperaturii soarelui, a schimbat predicția numărului de neutrini care ar trebui să fie produși.
Alte experimente au confirmat discrepanța pe care Bahcall și Davis au observat-o, dar având în vedere dificultatea a ceea ce au încercat să facă, eram destul de sigur că unul dintre ei a făcut o greșeală. Atât calculul cât și măsurarea au fost atât de incredibil de dificile. Dar m-am înșelat.
O altă discrepanță a nedumerit cercetătorii. Neutrinii sunt produși în atmosfera Pământului când razele cosmice din spațiul exterior se trântesc în aerul pe care îl respirăm cu toții. Oamenii de știință știu cu mare încredere că atunci când se întâmplă acest lucru, neutronii muoni și electroni sunt produși într-un raport 2-la-1. Cu toate acestea, când au fost măsurați acești neutrini, neutronii muoni și electroni au fost găsiți în raport 1 la 1. Și încă o dată, neutrinii au confundat fizicienii.
Misterul neutrinilor de la soare și de la razele cosmice din spațiu a fost rezolvat în 1998, când cercetătorii din Japonia au folosit un imens rezervor subteran de 50.000 de tone de apă pentru a studia raportul dintre neutronii muoni și electroni creați în atmosferă la 12 mile deasupra rezervorului. , comparativ cu același raport creat pe cealaltă parte a planetei, sau la aproximativ 8.000 de mile distanță. Utilizând această abordare inteligentă, ei au descoperit că neutrinii își schimbau identitatea în timp ce călătoreau. De exemplu, în conundrul Davis-Bahcall, neutrinii de electroni de la soare se schimbă în celelalte două arome. [Imagini: În interiorul celor mai bune laboratoare de fizică din lume]
Acest fenomen de schimbare a aromelor neutrinilor, la fel ca vanilia devenind căpșuni sau ciocolată, se numește oscilație neutrino. Acest lucru se datorează faptului că neutrinii nu își schimbă doar identitatea și nu se opresc. În schimb, dacă li se acordă suficient timp, cele trei tipuri de neutrinoși își schimbă constant identitățile din nou și din nou. Explicația de oscilație a neutrinilor a fost confirmată și clarificată în 2001 de către un experiment realizat în Sudbury, Ontario.
Dacă ați găsit această poveste amețitoare, tocmai începem. De-a lungul anilor, neutrinii au generat mai multe surprize decât o telenovelă în timpul Sweeps Week.
Odată cu fenomenul de oscilație a neutrino-urilor, oamenii de știință au putut-o studia folosind acceleratoare de particule. Aceștia ar putea crea fascicule de neutrini și a caracteriza cât de repede morfează de la o aromă la alta. De fapt, există o întreagă industrie de neutrino-oscilație, cu acceleratoare de pe glob care studiază fenomenul. Laboratorul principal pentru studiul neutrinilor este propriul meu Fermilab.
O a patra aromă?
A ieșit în evidență un studiu realizat în 2001 la laboratorul Los Alamos, printr-o colaborare numită LSND (detectorul de neutroni scintillatori de lichide). Măsurarea lor nu s-a încadrat în imaginea acceptată a trei arome diferite de neutrine. Pentru ca rezultatele lor să aibă sens, au avut nevoie de a ipoteza un al patrulea tip de neutrino. Și acesta nu a fost un tip obișnuit de neutrino. Se numește „neutrino steril”, ceea ce înseamnă că, spre deosebire de neutrinii obișnuiți, nu a simțit forța slabă. Însă a participat la oscilația neutrinilor ... la transformarea aromelor de neutrino. Și a fost probabil greu, ceea ce înseamnă că a fost un candidat ideal pentru materia întunecată.
Deci ar fi o observație mișto, dar multe alte experimente cu neutrino nu au fost de acord cu ele. De fapt, rezultatul LSND a fost unul mai vechi - atât de particular, încât nu a fost folosit de obicei în meta-analize ale neutrino-physics.
Și acum ajungem la măsurarea recentă prin experimentul MiniBooNE de la Fermilab. Numele provine din „Experimentul Neutrino BOOster”. Folosește unul dintre acceleratoarele Fermilab numite Booster pentru a face neutrino. “Mini” provine din faptul că, atunci când a fost construit, a fost avută în vedere o urmărire mai mare a experimentului.
Oamenii de știință MiniBooNE au descoperit că datele lor au sprijinit efectiv măsurarea LSND și, în plus, dacă și-au combinat datele cu datele LSND, rezistența statistică a măsurării este suficient de puternică pentru a pretinde o descoperire ... posibil de neutrini sterili.
Dar apoi, există faptul că multe alte experimente nu sunt de acord cu totul definitiv cu experimentul LSND (și acum MiniBooNE). Deci, ce se întâmplă cu asta?
Ei bine, asta, cum se spune, este o întrebare bună. S-ar putea ca cercetătorii din LSND și MiniBooNE să găsească pur și simplu ceva de care au lipsit celelalte experimente. Sau s-ar putea ca LSND și MiniBooNE să facă ambele o descoperire falsă. Sau s-ar putea ca aceste două aparate experimentale particulare să fie sensibile în moduri în care celelalte nu sunt. Un parametru important este că distanța dintre locul în care s-au creat neutrinii și unde au fost depistați a fost relativ scurtă - doar câteva sute de metri, sau lungimea aparatelor mai multe terenuri de fotbal. Neutrinii își fac timp să oscileze și, dacă se mișcă, acest lucru se traduce prin distanță. Multe experimente ale oscilațiilor neutrinelor au detectoare localizate la câteva sau multe sute de kilometri distanță. Poate că oscilația importantă are loc rapid, deci un detector apropiat este crucial.
Complicarea problemei este că colaborările LSND și MiniBooNE, deși sunt separate de peste un deceniu, au implicat unii dintre aceiași indivizi. Deci, rămâne posibil să se repete aceeași greșeală. Sau poate să prezinte aceeași strălucire. Este greu să fii sigur.
Deci, cum rezolvăm acest lucru? Cum aflăm cine are dreptate? Ei bine, aceasta este știința și, în știință, măsurarea și replicarea câștigă argumentul.
Și, aceasta este o veste bună. Având în vedere că Fermilab a optat pentru a-și dezvolta capacitatea de a studia neutrinii, nu unul, ci trei experimente neutrine diferite funcționează sau sunt în construcție, cu distanțe scurte între crearea și punctul de detectare a neutrinilor. Unul se numește MicroBooNE (o versiune mai mică a MiniBooNE și cu tehnologie diferită), cealaltă este ICARUS (Semnalizare subterană cu imagini cosmice și rare), iar a treia este SBN (Neutrino de bază scurtă). Toate aceste experimente sunt cu mult superioare MiniBooNE și LSND în ceea ce privește capacitățile tehnice, astfel încât cercetătorii speră că, la termenul de câțiva ani, vor face declarații definitive pe tema neutrinilor sterili.
Deci, care va fi răspunsul final? Nu știu - asta este chestiunea despre cercetare ... ești complet confuz până nu știi. Dar, ceea ce știu eu este că acesta este un mister fascinant, cu mai mult decât ponderea sa de surprize și achiziții. Sunt destul de sigur că și Sherlock Holmes ar fi nedumerit.
Publicat inițial la .
Don Lincoln a contribuit cu acest articol la Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.