Η ανακάλυψη της ταλάντωσης του νετρίνο, καθιστά ελλιπές το Καθιερωμένο Μοντέλο των Θεμελιωδών Δυνάμεων και Σωματιδίων

Από Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, 8 Ιουλίου 2004

Μια ομάδα, σχεδόν, 100 φυσικών από όλον τον κόσμο πέτυχε να επιβεβαιώσει ότι το νετρίνο πράγματι ταλαντώνεται. Αυτή η ανακάλυψη δείχνει ότι είναι πιθανό το Καθιερωμένο Μοντέλο, που προτάθηκε στη δεκαετία του '70 για να περιγράψει τις θεμελιώδεις δυνάμεις και τα σωματίδια που αποτελούν όλη την ύλη, είναι ελλιπές. Τα συμπεράσματα τους δίνουν και την πιο ακριβή μέτρηση που έγινε ποτέ για τη μάζα του νετρίνο.

Αυτά τα συμπεράσματα δείχνουν ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ανάγκη να τροποποιηθεί για να εξηγήσει καλύτερα τις θεμελιώδεις δυνάμεις που αποτελούν όλη την ύλη, λέει ο James Stone, ένας καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. "Αυτά ξεκαθάρισαν το τοπίο από όλες τις άλλες εξηγήσεις για τα προηγούμενα αποτελέσματα".

Ο Stone και οι συνεργάτες του είναι μέρος της συνεργασίας Super-Kamiokande , ένα πρόγραμμα κυρίως Ιαπωνικό, που περιλαμβάνει ερευνητές από 30 και πλέον ιδρύματα σε όλο τον κόσμο. Ο Stone είναι από τους κύριους ερευνητές του πειράματος Super-K, καθώς επίσης και μέλος της αμερικανικής Επιτροπής για το πείραμα. Τα αποτελέσματα των προσπαθειών της συνεργασίας θα δημοσιευθούν τον προσεχή μήνα στο Physical Review Letters.

Η συνεργασία Super-K εστιάστηκε στα στοιχεία των ατμοσφαιρικών νετρίνο. Τα ατμοσφαιρικά νετρίνο παράγονται από τις συγκρούσεις των υψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων με την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης. Τα νετρίνο έρχονται σε δύο τύπους, ή γεύσεις: του ηλεκτρονίου και του μιονίου.

Η ομάδα Super-K ανέφερε για πρώτη φορά ότι τα νετρίνο ταλαντεύονται το 1998. Αυτή η ανακάλυψη αναπτύχθηκε μετά την παρατήρησή τους ότι ο αριθμός των νετρίνο τύπου μιονίου που κινούνται προς τα πάνω (εκείνα που ταξιδεύουν μέσω της Γης) ήταν αρκετά λιγότερα από τον αριθμό των νετρίνο (τύπου μιονίου) που κινούνται προς τη Γη (εκείνα που ταξιδεύουν μόνο την απόσταση από την ανώτερη ατμόσφαιρα προς τον υπόγειο ανιχνευτή Super-K). Στην έκθεσή τους, οι ερευνητές δείχνουν ότι το μέγεθος της διαφοράς που μετρήθηκε εξαρτάται από την απόσταση που διανύεται, με έναν τρόπο που είναι σύμφωνος με τη θεωρία της ταλάντωσης του νετρίνο. Στην πλήρη ανάλυση των στοιχείων τους παρουσιάζουν ότι το νετρίνο μιονίου αλλάζει πιθανότατα σε μια τρίτη γεύση του νετρίνο, το τ-νετρίνο, που όμως δεν παράγεται στις συγκρούσεις της κοσμικής ακτινοβολίας.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Καθιερωμένο Μοντέλου, η πιθανότητα να αλλάξει γεύση ένα νετρίνο μπορεί να καθοριστεί διαιρώντας την απόσταση που ταξιδεύει ένα νετρίνο (L) με την ενέργειά του (E). Η θεωρία δέχεται μια ημιτονοειδή μεταβολή στην πιθανότητα της αλλαγής της γεύσης ενώ αυτή τείνει προς το μηδέν και ακολούθως αυξάνει καθώς ο λόγος L/E αυξάνεται.

Οι φυσικοί του Super-K εφηύραν μια νέα μέθοδο για την ανάλυση των στοιχείων των ατμοσφαιρικών νετρόνο, κάνοντας έτσι πολύ καλές μετρήσεις της απόστασης που διανύουν καθώς και της ενέργειας τους. Αυτός ο τρόπος είναι πολύ βελτιωμένος σε σχέση με την ανάλυση του 1998 και συμφωνεί με τη θεωρία περί μίξης των νετρίνο.

Θεωρητικά, τα νετρίνο μπορούν να αλλάξουν γεύση μόνο εάν έχουν μάζα. Το Καθιερωμένο Μοντέλο, εντούτοις, υποθέτει ότι τα νετρίνο δεν έχουν μάζα. Κατά συνέπεια, η ανακάλυψη του 1998 της ταλάντωσης των νετρίνο ήταν, επίσης, η πρώτη απόδειξη ότι τα νετρίνο έχουν μάζα. Εντούτοις, μερικές ασυνήθιστες θεωρίες, είχαν προσφέρει εξηγήσεις για την εξαφάνιση των νετρίνο μιονίου που κινούνται προς τα πάνω,  που διέφερε από το συμπέρασμα του 1998. Αντί να δεχτούν ότι το έλλειμμα του αριθμού των νετρίνο οφειλόταν στην αλλαγή της γεύσης των νετρίνο μιονίου, αυτές οι θεωρίες πίστευαν ότι το έλλειμμα οφειλόταν, πιθανώς, στη διάσπαση του νετρίνο σε άλλα σωματίδια.

Η νέα ανάλυση από τη συνεργασία Super-K απορρίπτει αυτές τις θεωρίες στη βάση ότι αποτυγχάνουν να προβλέψουν το σχέδιο των ταλαντώσεων που βρέθηκε από το 1998. Επιπλέον, η πρόσφατη ανάλυση διαπιστώνει ότι η θέση της εμβύθισης στο σχέδιο των ταλαντώσεων παρουσιάζει τη διαφορά των μαζών μεταξύ των νετρίνο. Είναι η πιο ακριβής μέτρηση που έγινε ποτέ.

Ανίχνευση νετρίνο κάτω από τις Άλπεις

Ευρωπαίοι ερευνητές (Gran Sasso Laboratory) σκοπεύουν να κατασκευάσουν κάτω από τις Άλπεις τη μεγαλύτερη δεξαμενή στον κόσμο, με στόχο την ανίχνευση των ηλιακών νετρίνο, που πηγάζουν από τον πυρήνα του Ήλιου και διαπερνούν τη Γη,  για να διαπιστώσουν αν η διάσπαση των πρωτονίων όντως συμβαίνει.

Η Ιταλία και η Γαλλία πρόσφατα συμφώνησαν να χρηματοδοτήσουν το σχεδιασμό του Ανιχνευτή Μεγατόνων (Megaton Detector). Αν το πρόγραμμα υλοποιηθεί, ο ανιχνευτής θα είναι έτοιμος να λειτουργήσει σε, περίπου, δέκα χρόνια.

Το εργαστήριο θα κατασκευαστεί δίπλα σε μια υπάρχουσα σήραγγα στις Άλπεις, κοντά στα γαλλο-ιταλικά σύνορα, κάτω από ένα χιλιόμετρο βράχων, ώστε να μην επηρεάζεται από την κοσμική ακτινοβολία.

Η δεξαμενή του εργαστηρίου θα γεμιστεί με εκατοντάδες χιλιάδες κυβικά μέτρα νερού εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας.

Καθώς τα νετρίνο διέρχονται από το νερό, προκαλούν την απελευθέρωση φορτισμένων σωματιδίων, τα οποία με τη σειρά τους παράγουν σύντομες λάμψεις, γνωστές ως ακτινοβολία Τσερένκοφ. Οι λάμψεις αυτές θα καταγράφονται με χιλιάδες φωτοπολλαπλασιαστές που θα επενδύουν τα εσωτερικά τοιχώματα της δεξαμενής.

Ο νέος ανιχνευτής θα είναι μεγαλύτερος και ακριβέστερος από τον υπάρχοντα ανιχνευτή Super-Kamiokande της Ιαπωνίας.

Ο εντοπισμός των νετρίνων είναι ιδιαίτερα δύσκολος επειδή τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη.

Ο δεύτερος στόχος του νέου ανιχνευτή θα είναι να παρατηρήσει τη διάσπαση των πρωτονίων, θετικά φορτισμένων σωματιδίων που υπάρχουν στον πυρήνα κάθε ατόμου.

Αν η διάσπαση των πρωτονίων επιβεβαιωθεί ότι συμβαίνει, οι θεωρητικοί φυσικοί θα βρεθούν ένα βήμα πιο κοντά στον κύριο στόχο τους, να καταλήξουν σε μια ενοποιημένη περιγραφή των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης.