Πείραμα με διέλευση νετρίνων μέσω της Γης

Πηγή: NewScientist, 7 Μαρτίου 2005

Επιστήμονες πρόκειται να στείλουν δέσμες νετρίνων να διέλθουν μέσα από τη Γη για να καταλάβουν καλύτερα τη μεταβαλλόμενη - ταλαντούμενη - φύση των μυστήριων σωματιδίων, με ένα νέο πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στο Ιλλινόις με τη συμμετοχή και του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών.

Στο πείραμα συμμετέχουν περισσότεροι από 200 επιστήμονες από 32 ιδρύματα 6 χωρών. Η ελληνική ομάδα αποτελείται από φυσικούς από τον Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων του Φυσικού στο Πανεπιστήμιο των Αθηνών, με υπεύθυνο τον καθηγητή Γεώργιο Τζανάκο.

Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια χωρίς φορτίο και με ελάχιστη μάζα. Υπάρχουν σε τρεις μορφές - ή 'γεύσεις' - νετρίνο του ηλεκτρονίου, νετρίνο μιονίου και νετρίνο ταυ.  Δεν αισθάνονται την ηλεκτρομαγνητική και την ισχυρή αλληλεπίδραση. Κάθε κυβικό εκατοστό του χώρου περιέχει περίπου εκατό νετρίνα, που έχουν απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη κατά τη γέννηση του Σύμπαντος. Κάθε δευτερόλεπτο, 60 δισεκατομμύρια νετρίνα από τον ήλιο διέρχονται από κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της γης, όπως και από το σώμα μας.

Το πείραμα των 180 εκατομμυρίων, που ονομάζεται MINOS, ξεκίνησε την περασμένη Παρασκευή με σκοπό να βρεθεί πώς ταλαντεύονται τα νετρίνα μεταξύ των γεύσεων. Τα προηγούμενα πειράματα που έγιναν για να ανιχνεύσουν αυτή τη μεταβαλλόμενη κατάσταση ήταν σε ανεξέλεγκτα περιβάλλοντα - χρησιμοποιώντας τα νετρίνα που έρχονται από το διάστημα. Αλλά το νέο αυτό πρόγραμμα είναι το πρώτο ελεγχόμενο πείραμα του είδους του.

"Όποτε κάνετε ένα πείραμα, προτιμάτε να το κάνετε κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μπορείτε να ελέγξετε την πειραματική κατάσταση", εξήγησε ο Stan Wojcicki, ένας καθηγητής φυσικής στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Οι επιστήμονες στο Fermilab θα στείλουν δέσμες νετρίνων (η διάταξη παραγωγής της δέσμης των σωματιδίων λέγεται NuMI) υπόγεια από το Ιλλινόις (σε ολόκληρη την Πολιτεία του Wisconsin μέσω της Λίμνης Superior), προς έναν ανιχνευτή σωματιδίων που βρίσκεται στο υπόγειο ορυχείο Σουδάν στη Μινεσότα και σε βάθος περίπου 800 μέτρων από την επιφάνεια. Ένα ταξίδι των 735 χιλιομέτρων.

Δομικές μονάδες

Τα νετρίνα βρίσκονται παντού, σε ολόκληρο τον κόσμο, γιατί προέρχονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις των αστεριών. Αυτά διέρχονται μέσω της ύλης αλληλεπιδρώντας ελάχιστα με αυτήν. Δεν έχουν κανένα φορτίο και σχεδόν καμία μάζα, έτσι είναι πολύ δύσκολο να τα ανιχνεύσουμε. Αλλά οι ερευνητές υποψιάζονται ότι θα μπορούσαν να συμμετέχουν στη μάζα και της σκοτεινής ύλης. Τα νετρίνα μπορούν, επίσης, να διαδραματίζουν έναν ρόλο στη δημιουργία των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων - τις δομικές μονάδες των ατόμων.

Για το λόγο αυτό στο νέο πείραμα των νετρίνων, στην διάταξη NuMI - που είναι θαμμένη υπόγεια στο Fermilab - θα παραχθεί μια ακτίνα πρωτονίων. Η ακτίνα θα ταξιδέψει μέσω μιας σήραγγας 1,2 χιλιομέτρων με μια μικρή προς τα κάτω γωνία και προς το Βορρά.

Στη σήραγγα, η ακτίνα θα περάσει μέσω ενός κομματιού από άνθρακα. Τα πρωτόνια αλληλεπιδρούν με τον άνθρακα και παράγονται τα βραχύβια σωματίδια πιόνια. Εν συνεχεία αυτά τα πιόνια διασπώνται κυρίως σε νετρίνα μιονίου. Ένας ανιχνευτής κοντά στο Fermilab θα μετρήσει τότε τα νετρίνα μόλις αυτά θα αρχίσουν το ταξίδι τους. Εν συνεχεία τα νετρίνα θα ταξιδέψουν υπόγεια από το Ιλλινόις στον ανιχνευτή στην Μινεσότα.

Αλλαγές καταστάσεων

Όταν σχεδιαζόταν το πρόγραμμα, η τοποθέτηση του ανιχνευτή σε ένα ορυχείο γινόταν γιατί είναι ένας εύκολος τρόπος να προστατευθεί από τις κοσμικές ακτίνες, οι οποίες θα παρεμπόδιζαν τις μετρήσεις.

Τα νετρίνα είναι γνωστό ότι ταξιδεύουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Το ταξίδι των 735 χιλιομέτρων μέσα στον ανιχνευτή διαρκεί ακριβώς 2,5 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αλλά σε αυτό τον χρόνο, καθώς τα νετρίνα του μιονίου περνούν μέσω της γης, κάποια από αυτά μπορούν να αλλάξουν κατάσταση (ταλάντωση των νετρίνων) και να γίνουν νετρίνα ταυ ή ηλεκτρονίου.

Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα από τον κοντινό ανιχνευτή με εκείνα του ανιχνευτή στόχου, οι ερευνητές ελπίζουν να δουν ακριβώς πώς ακριβώς άλλαξε η σύνθεση της ακτίνας των σωματιδίων.

Ενώ θα περνούν μέσω του ανιχνευτή MINOS κάθε χρόνο τρισεκατομμύρια νετρίνα, ο ανιχνευτής θα ανιχνεύει μόνο ένα σε κάθε εκατομμύριο από αυτά επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν σπάνια με άλλα υλικά. Περίπου 1.500 από αυτά θα συγκρούονται με άτομα στο εσωτερικό του ανιχνευτή, ενώ τα υπόλοιπα θα περνούν χωρίς καμιά αλληλεπίδραση.

Σχετικά Links Neutrinos