Οι επιστήμονες βρίσκουν επιτέλους τα ηλιακά νετρίνα που αναζητούσαν.

Από την ηλεκτρονική σελίδα του Scientific American και PhysicsWeb, 20 Ιουνίου 2001

Για τρεις δεκαετίες και πλέον, οι φυσικοί ψάχνουν για τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης που ονομάζονται νετρίνα, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και πρακτικά δεν έχουν μάζα ηρεμίας. Οι πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ήλιο, παράγουν τεράστιες ποσότητες από τα σωματίδια αυτά. Οι προηγούμενες μετρήσεις έδειχναν ότι μόνον τα μισά από τα νετρίνα που προβλέπονταν έφθαναν στη Γη. Τώρα Αμερικανοί, Βρετανοί και Καναδοί επιστήμονες που εργάζονται στο Παρατηρητήριο Νετρίνων στο Sudbury (SNO) στο Οντάριο του Καναδά ισχυρίζονται ότι έχουν ανακαλύψει τι συμβαίνει με τα χαμένα νετρίνα. Παρουσίασαν τα αποτελέσματά τους σ' ένα συνέδριο της Ένωσης Καναδών Φυσικών και σε μια δημοσίευση που υποβλήθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.

Οι ερευνητές λένε ότι τα επιπλέον νετρίνα δεν εξαφανίζονται αλλά μάλλον μετασχηματίζονται κατά το ταξίδι τους από τον Ήλιο στη Γη , μήκους 93.000.000 μιλίων, σε δύο άλλους τύπους νετρίνων, τα μ-νετρίνα και τα τ-νετρίνα. Ο Ήλιος δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για την παραγωγή των δύο τελευταίων τύπων νετρίνων. Προκειμένου να μετρήσουν τα e- νετρίνα που φθάνουν στη γη, η ομάδα του SNO καταγράφει μικροσκοπικές λάμψεις φωτός που παράγονται όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα μόρια βαρέος ύδατος - δηλαδή νερού στο οποίο τα άτομα υδρογόνου έχουν αντικατασταθεί από άτομα δευτερίου. Η ομάδα SNO δεν μπορεί να ανιχνεύσει τα μιονικά νετρίνα και τα ταφ νετρίνα διότι αυτά δεν διασπούν τα τα μόρια βαρέος ύδατος.

Στη συνέχεια οι ερευνητές συνέκριναν τον αριθμό των νετρίνων που μέτρησαν με αυτόν ενός άλλου πειράματος στον ανιχνευτή Super-Kamiokande στην Ιαπωνία. Το Ιαπωνικό πείραμα χρησιμοποιεί συνηθισμένο νερό αντί για βαρύ και έτσι καταμετρά και τα μιονικά και τα ταφ νετρίνα όπως επίσης και τα ηλεκτρονικά νετρίνα. Επειδή λοιπόν ο ανιχνευτής στην Ιαπωνία μέτρησε περισσότερα νετρίνα από τον ανιχνευτή του SNO, οι ερευνητές συμπέραναν ότι τα ηλιακά νετρίνα των ηλεκτρονίων πρέπει να μετασχηματίζονται στους δύο άλλους τύπους κατά τη διαδρομή τους προς τη Γη.

Οι επιστήμονες από το SNO συνδύασαν τα στοιχεία τους με τα αποτελέσματα από το πείραμα Kamiokande (SK), για  να καθιερώσουν ένα ανώτερο όριο στη μάζα των νετρίνων. Κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου, το πρόγραμμα του SK ανίχνευσε μόνο το 45% της ηλιακής ροής των νετρίνων που προβλέπεται από τη θεωρία. Το πείραμα του SK χρησιμοπόηησε ένα χαμηλότερο ενεργειακό όριο από τις προηγούμενες μελέτες, οι οποίες επέτρεψαν σε αυτό να ανιχνεύσει ένα μεγαλύτερο ποσοστό των χαμηλής-ενέργειας ηλεκτρονικών νετρίνων και έναν μικρό αριθμό μιονικών νετρίνων καθώς και TAU νετρίνων.

" Τώρα είμαστε αρκετά σίγουροι ότι η διαφορά δεν οφείλεται σε προβλήματα που εμφανίζει το μοντέλο της ηλιακής δραστηριότητας που χρησιμοποιούμε, αλλά σε μεταλλαγή των ίδιων των νετρίνων κατά την πορεία τους προς τη γη", λέει ο Art McDonald καθηγητής της φυσικής στο Queen's University στο Kingston του Ontario και ένας από τους διευθυντές του προγράμματος SNO.

Το πρόγραμμα του SNO

Εικόνα που πάρθηκε στο SNO   Στην εικόνα αυτή οι λευκές γραμμές δείχνουν πως οι 10.000 φωτοπολλαπλασιαστές (PMT) φτιάχνουν μιά σφαίρα. Το φως εκπέμπεται κωνικά γύρω από την διαδρομή του σωματιδίου κι έτσι δημιουργεί ένα κυκλικό ίχνος καθώς πέφτει στα τοιχώματα του ανιχνευτή.
Τα έγχρωμα εξάγωνα αποκαλύπτουν τις ΡΜΤ που έχουν δεχτεί φως σε αυτό το γεγονός. Στη ροζ περιοχή είχαμε τη παραγωγή μιονίων από την αλληλεπίδραση νετρίνο και ανιχνευτή. Το δεύτερο δαχτυλίδι σχηματίστηκε πιθανά από ένα σωματίδιο (π-μεσόνιο) το οποίο δημιοργήθηκε όταν ένα κουάρκ (ενός πρωτονίου ή νετρονίου κάποιου πυρήνα βαρέως ύδατος) κτυπήθηκε από το νετρίνο και εκσφενδονίστηκε.

Το πρόγραμμα SNO μετρά τα νετρίνα ηλεκτρονίων, από τις αποκαλυπτικές λάμψεις του φωτός που προκαλούνται όταν ταξιδεύουν μέσω του βαρέως ύδατος. Το δευτέριο - που περιέχει ένα πρόσθετο νετρόνιο - αντικαθιστά το συνηθισμένο υδρογόνο στο βαρύ ύδωρ, αλλά ιονίζεται με τον ίδιο τρόπο. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με έναν πυρήνα δευτέριου μετατρέπει το νετρόνιο σε ένα πρωτόνιο και εκτινάσσει ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο, το οποίο εκπέμπει έπειτα την περίφημη ακτινοβολία Cherenkov.
Δεδομένου ότι η ένταση αυτής της ακτινοβολίας συσχετίζεται με την ενέργεια του νετρίνο, η ενεργειακή κατανομή των εισερχόμενων νετρίνων μπορεί να υπολογιστεί από τη δέσμη των σχεδόν 10.000 φωτοπολλαπλασιαστών που ελέγχουν τις λάμψεις. Περίπου 10 νετρίνα κάθε ημέρα ανιχνεύονται από την τρέχουσα οργάνωση. Μέχρι σήμερα ο ανιχνευτής SNO έχει μετρήσει μόνο τα νετρίνα των ηλεκτρονίων, αλλά μια πρόσφατη τροποποίηση θα επιτρέψει στο να μετρήσουν τα μιονικά νετρίνα και των TAU μέσα στο επόμενο πείραμα.

Ο ανιχνευτής SNO βρίσκεται 2000 μέτρα κάτω από τη Γη, σε έναν παλαιό ορυχείο. Περίπου 100 επιστήμονες από τον Καναδά, τις ΗΠΑ και το Ηνωμένο Βασίλειο εργάζονται στο πρόγραμμα, το οποίο άρχισε την λειτουργία του από το 1998 και συνελλήφθηκε δαν ιδέα 14 έτη νωρίτερα. "Είναι απίστευτα συναρπαστικό, μετά από όλα αυτά τα έτη που ξοδεύθηκαν από τόσους πολλούς ανθρώπους, να δει τέτοια φανταστικά αποτελέσματα με την πρώτη ανάλυση στοιχείων μας", λέει το μέλος των ομάδων του εργαστηρίου Rutherford Appleton και του Πανεπιστημίου του Σάσσεξ στο Ηνωμένο Βασίλειο, David Wark, "και υπάρχουν τόσα να μας έλθουν". 

Οι ερευνητές κατέληξαν οριστικά λοιπόν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, αν και είναι πολύ μικρή. Πάντως ακόμη και η ύπαρξη ενός τεράστιου αριθμού νετρίνων στο Σύμπαν, δεν αποτελεί παρά ένα μικρό ποσοστό της συνολικής του μάζας.

Πρόκειται για μια ανακάλυψη που, αν επιβεβαιωθεί, θα δημιουργήσει πολλές αναταράξεις σε βασικά μοντέλα της Φυσικής, ειδικά στο Καθιερωμένο Πρότυπο στοιχειωδών σωματιδίων που πιστεύουμε ότι περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τη δομή της ύλης.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) στοιχειωδών σωματιδίων είναι ένα μοντέλο στο οποίο περιγράφονται οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις της φύσης (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική), καθώς και τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης. Αυτά τα σωματίδια είναι δώδεκα: έξι λεπτόνια και έξι κουάρκ. Στα λεπτόνια συγκαταλέγονται το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο, το τ και τα αντίστοιχα νετρίνα τους.

Το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων

Τα νετρίνα παράγονται κατά τη σύντηξη υδρογόνου σε δευτέριο, του δευτέριου σε ήλιο κ.λπ. Ομως, τα νετρίνα αυτά φτάνουν στη Γη, όπου συλλέγονται από ανιχνευτές συνήθως τεραστίων διαστάσεων (π.χ. SuperKamiokande). Δεδομένα στους υπολογισμούς της ροής νετρίνων από τον ήλιο είναι η μάζα του άστρου, η πυκνότητά του και η χημική σύστασή του, ενώ για το εσωτερικό του γίνονται διάφορες υποθέσεις. Παλιότερα, ήταν κυρίαρχη η άποψη ότι το ηλιακό πρότυπο δεν προβλέπει σωστά τη ροή νετρίνων, αφού δεν ανιχνεύονταν στη Γη τόσα νετρίνα, όσα προέβλεπαν οι θεωρητικοί υπολογισμοί που βασίζονται στο λεγόμενο Θεμελιώδες Ηλιακό Πρότυπο. Σήμερα, όμως, δεν θεωρείται ότι το Θεμελιώδες Ηλιακό Πρότυπο είναι λάθος και αν αποδειχθεί τελικά ότι το νετρίνο μετασχηματίζεται τότε το Θεμελιώδες Ηλιακό Πρότυπο θα ενισχυθεί ακόμα περισσότερο.