Misterioşii neutrini
Neutrinii sunt particule care fac parte din aşa-numită familie de leptoni a Modelului Standard al Fizicii Particulelor Elementare. Există trei tipuri de neutrini (electronici, muonici şi tauonici) şi tot atâtea tipuri de antineutrini. În ciuda faptului că sunt studiaţi de zeci de ani, multe sunt încă misterele care înconjoară neutrinii. Ştim la ora actuală că aceştia au masă, dar nu ştim care este aceasta. Ştim că oscilează (adică se pot transforma dintr-un fel de neutrini în alt fel, de exemplu din muonic în tauonic), dar un cunoaştem detaliile. Neutrinii ar putea să constituie (în funcţie de masa pe care o au) parte din materia întunecată din Univers. Întelegerea lor ar putea chiar explica o parte din misterul dispariţiei antimateriei din Univers.
Alte articole referitoare la neutrini:
Miezul fierbinte al Pământului, un mister rezolvat (include o descriere a particulelor)
Incursiune pe tărâmul subatomic
Cum de, în ciuda progreselor făcute în tehnica experimentală, neutrinii au rămas învăluiţi în mister? Explicaţia este oarecum simplă: neutrinii sunt particule care interacţionează cu restul lumii doar prin aşa-numită interacţiune slabă, ceea ce înseamnă de exemplu că printr-un zid de plumb de câţiva metri neutrinii ar trece “ca prin brânză” – foarte puţini ar interacţiona cu nucleele de plumb, cea mai mare parte trecând prin zid ca şi cum acesta n-ar exista. Fiecare dintre noi este străbătut în fiecare secundă de miliarde şi miliarde de neutrini, în mare parte provenind din procesele care au loc în Soare. Dacă interacţiona puternic, “valul” de neutrini ne-ar distruge într-o clipă.
Oamenii de ştiinţă au inventat noi modalităţi pentru studiul neutrinilor. O parte dintre experimentele recente sunt instalate în laboratoare subterane, cum ar fi laboratorul de la Gran Sasso din Italia. Alte experimente sunt instalate în apa mării sau chiar în gheaţa de la Polul Sud. Despre experimentul de la Polul Sud vom vorbi în cele ce urmează.
IceCube - De ce Polul Sud
18 decembrie 2010 este o dată care va rămâne în istoria Observatorului de neutrini IceCube de la Polul Sud: este data în care a fost instalat ultimul din cele 5160 detectoare în gheaţa de la pol. 40 de institute şi universităţi din SUA, Germania, Belgia, Suedia, Barbados, Canada, Japonia, Noua Zeelandă, Elveţia şi Marea Britani au colaborat pentru acest observator.
Experimentul este extrem de ambiţios şi ingenios: se studiază neutrinii cu ajutorul semnalului produs în....gheaţa de la Polul Sud (experimentul este instalat la circa 1 km de Polul Sud actual) la adâncimi mergând de la 1.4 la circa 2.5 km, unde gheaţa este extrem de pură.
Un volum de circa 1 km3 de gheaţă va fi studiat cu ajutorul celor 86 de sisteme de detecţie, fiecare fiind alcătuit dintr-un cablu (string) vertical care porneşte de la 1.4 km şi ajunge la circa 2.5 km sub gheaţă. Acest cablu conţine 60 de detectoare individuale, adevăraţi ochi pentru măsurarea semnalelor produse de neutrini. Instalarea în profunzime are scopul de a reduce eventualele semnale care provin de la alte surse decât neutrinii, iar la aşa adâncime gheaţa este compactă şi pură, semnalele de la neutrini fiind mult mai curate.
Schema experimentului IceCube
Ce anume măsoară aceste detectoare? Ochii IceCube-ului măsoară lumina de tip Cherenkov produsă de exemplu de muonii generaţi în urma interacţiunii neutrinilor cu nucleele de oxigen din gheaţă. Aceşti muoni se mişcă în gheaţă cu o viteză mai mare decât cea a luminii în acest mediu, ceea ce duce la emiterea de radiaţie de tip Cherenkov, ce este alcătuită de fapt din fotoni care sunt măsuraţi de către detectoarele IceCube, al căror element principal este un detector de fotoni, numit FotoMultiplicator.
Unul dintre cele 5160 detectoare ale experimentului IceCube
Deoarece volumul de gheaţă este relativ mare (1 km3) în ciuda faptului că interacţiunea neutrinilor cu materia este foarte slabă, vom avea totuşi un număr de neutrini detectaţi, din miliardele şi miliardele de neutrini care trec prin gheaţă.
Semnalul de la fiecare detector este transportat la un laborator instalat la suprafată, unde este analizat pentru a determina direcţia de provenienţă a neutrinului care l-a produs şi energia acestuia.
Una dintre informaţiile cele mai importante este direcţia de provenienţă a neutrinilor: de “sus în jos”, adică din atmosferă, sau “de jos în sus”, adică din Pământ. Energia acestora este de asemenea foarte importantă.
Ce va măsura IceCube
În timpul instalării, IceCube a strâns deja o serie de date importante, chiar dacă sistemul nu era complet la acea vreme. De exemplu, a fost realizată o hartă a cerului în semnale date de neutrini şi s-a văzut că nu există surse de neutrini privilegiate; aceştia provin relativ uniform din toate direcţiile.
Totodată, a fost măsurat spectrul de energie al neutrinilor muonici cu energii între 100 miliarde şi 400 mii de miliarde de eV (vedeţi articolele lui Adrian Buzatu pentru unitatea de măsură eV) şi s-a ajuns la concluzia că aceşti neutrini provin din interacţiunea razelor cosmice în atmosferă, nefiind identificată o sursă extraterestră, cel puţin până la ora actuală.
La ora actuală, sistemul de detecţie este complet şi măsurători de lungă durată, detaliate, vor fi efectuate. Măsurătorile menţionate anterior vor continua cu o precizie mult mai mare. În plus, vor fi efectuare măsurători de neutrini care ar putea proveni în coincidenţă cu aşa numitele “gamma-ray bursts” (explozii violente de raze gamma) sau de neutrini generaţi în anihilarea particulelor de materie întunecată.
Înţelegerea neutrinilor cu ajutorul IceCube ar putea rezolva o parte dintre problemele actuale din Fizica Modernă: dispariţia antimateriei în Univers sau misterul materiei întunecate. Pe de altă parte, măsurătorile efectuate ar putea da naştere altor întrebări şi altor mistere, aşa cum de multe ori se întamplă în cercetarea fundamentală. Rămâne de văzut!
Informaţii sumplimentare despre IceCube se găsesc la:
http://icecube.wisc.edu/
Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al StiintaAzi.ro. Autoarea multumeşte pentru colaborare dnei Diana Sirghi.
Spune-ţi părerea!
Nici un mesaj postat până acum