H Γη μπορεί να απορροφήσει νετρίνα υψηλής ενέργειας.

Για πρώτη φορά το επιστημονικό πείραμα IceCube κοντά στο Νότιο Πόλο, αποκάλυψε την ικανότητα της Γης να «φρενάρει» και να απορροφά τα νετρίνα, γνωστά και ως σωματίδια-φαντάσματα.

Τα εν λόγω υποατομικά σωματίδια έρχονται από το διάστημα και τρισεκατομμύρια από αυτά κάθε δευτερόλεπτο διαπερνούν τον πλανήτη μας, κάθε στερεό αντικείμενο και εμάς τους ίδιους σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Το IceCube, στην Ανταρκτική, αποτελείται από μία διάταξη 5.160 αισθητήρων με μέγεθος μπάλας μπάσκετ ο καθένας, που βρίσκονται βαθιά στο εσωτερικό ενός κύβου καθαρού πάγου με πλευρά ενός χιλιομέτρου. Οι αισθητήρες δεν ανιχνεύουν άμεσα τα ίδια τα νετρίνα, αλλά τις λάμψεις από τη μπλε ακτινοβολία Τσερένκοφ που εκπέμπουν άλλα υποατομικά σωματίδια, όταν τα νετρίνα συναντούν τον πάγο.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον επικεφαλής επιστήμονα του IceCube καθηγητή φυσικής Φράνσις Χάλζεν του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο Nature,

https://www.nature.com/articles/nature24459

με τα δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια ενός έτους έδειξαν την ανίχνευση 10784 αλληλεπιδράσεις νετρίνων στο εσωτερικό του IceCube. Η ροή των νετρίνων υψηλής ενέργειας που διανύουν μεγάλες διαδρομές στο εσωτερικό της Γης εξασθενεί σε σύγκριση με ένα δείγμα αναφοράς που διανύει μικρότερες τροχιές. πραγματοποίησαν την πρώτη μέτρηση που επιβεβαιώνει ότι τελικά μερικά νετρίνα σταματούν στον πλανήτη μας και δεν συνεχίζουν το διαστημικό ταξίδι τους.

Όσο υψηλότερη ενέργεια έχει ένα νετρίνο, τόσο πιθανότερο είναι να αλληλεπιδράσει με την ύλη και συνεπώς να απορροφηθεί από τη Γη.

Τα νετρίνα σχηματίσθηκαν αρχικά με τη γέννηση του σύμπαντος και συνεχίζουν να παράγονται από τα άστρα, αλλά και από τα πυρηνικά εργοστάσια. Τα νετρίνα που παράγονται στη γήινη ατμόσφαιρα, όταν πέφτει πάνω της η κοσμική ακτινοβολία, μπορεί να έχουν πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη ενέργεια από ό,τι τα νετρίνα που παράγονται από τον Ήλιο ή από πυρηνικούς αντιδραστήρες στη Γη. Ένας μικρός αριθμός κοσμικής προέλευσης νετρίνων προέρχεται απευθείας από άγνωστες αστροφυσικές πηγές πέρα από τη Γη, όπως πιθανώς οι τεράστιες μαύρες τρύπες.

Η πρώτη ανίχνευση νετρίνων πολύ υψηλής ενέργειας, από το IceCube, είχε γίνει το 2013, αλλά έως σήμερα παρέμενε ερωτηματικό κατά πόσο όντως κάποιο είδος ύλης μπορεί να σταματήσει το ταξίδι ενός νετρίνου.

«Γνωρίζαμε ότι τα χαμηλότερης ενέργειας νετρίνα διαπερνούν τα πάντα, αλλά μολονότι αναμέναμε πως τα υψηλότερης ενέργειας νετρίνα θα είναι διαφορετικά, έως τώρα δεν είχαμε κάποια πειστική πειραματική επιβεβαίωση» δήλωσε ο καθηγητής φυσικής Νταγκ Κάουεν του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια. «Τώρα, για πρώτη φορά, δείξαμε ότι τα πολύ υψηλής ενέργειας νετρίνα πράγματι μπορούν να απορροφηθούν από κάτι - εν προκειμένω από τη Γη» πρόσθεσε.

Τα νέα ευρήματα συμφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις του, εδώ και μισό αιώνα, Κυρίαρχου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής και έτσι απογοήτευσαν κάπως όσους έλπιζαν ότι το IceCube θα αποκαλύψει κάτι που δεν ήταν δυνατό να εξηγηθεί με βάση αυτό το θεωρητικό μοντέλο.

Ένα άλλο υπόγειο πείραμα ανίχνευσης νετρίνων, το Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), βρίσκεται υπό ανάπτυξη και θα λειτουργήσει στην επόμενη δεκαετία.

https://physicsgg.me/2017/11/23/%ce%b7-%ce%b1%ce%bb%ce%bb%ce%b7%ce%bb%ce%b5%cf%80%ce%af%ce%b4%cf%81%ce%b1%cf%83%ce%b7-%cf%84%cf%89%ce%bd-%cf%85%cf%88%ce%b7%ce%bb%ce%ae%cf%82-%ce%b5%ce%bd%ce%ad%cf%81%ce%b3%ce%b5%ce%b9%ce%b1%cf%82/

Τα νετρίνα μπορούν να λύσουν το μυστήριο της ύπαρξης του σύμπαντος.

Στην Ιαπωνία πραγματοποιείται ένα πείραμα που θα μπορούσε να μας αποκαλύψει γιατί η ύλη κυριάρχησε σε σχέση με την αντιύλη στο σύμπαν μας αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Το πείραμα ονομάζεται Τ2Κ (Tokai-to-Kamioka, από το Τοκάι στην Καμιόκα).

Στον επιταχυντή πρωτονίων που βρίσκεται στα ανατολικά παράλια του νησιού Χονσού, στο Tokai, παράγονται νετρίνα (το Τοkai είναι γνωστό ως το ορμητήριο του τέρατος Γκοτζίλα, από τις ομώνυμες κινηματογραφικές ταινίες επιστημονικής φαντασίας). Η δέσμη των νετρίνων αφού διανύσει μια απόσταση 295 χιλιομέτρων που καλύπτεται από διάφορα πετρώματα φθάνει στον υπόγειο ανιχνευτή Super-Kamiokande (Super-K) που περιέχει 50000 τόνους υπερ-καθαρού νερού. Κατά την διάρκεια αυτής της διαδρομής κάποια από αυτά τα νετρίνα αλλάζουν ταυτότητα (ταλαντώσεις νετρίνων).

Από τις πρώτες μετρήσεις που συνέλλεξε στις αρχές της δεκαετίας 2010 ο ανιχνευτής T2K έδειχναν ότι μερικά νετρίνα του μιονίου μετατρέπονται σε νετρίνα του ηλεκτρονίου. Παλαιότερες μετρήσεις με τους ανιχνευτές SNO και Super-K είχαν αποδείξει δυο άλλα είδη ταλαντώσεων νετρίνων, αλλά αυτή τη φορά οι φυσικοί είχαν άμεσες αποδείξεις για τον τρίτο τύπο μετασχηματισμού. Οι μετρήσεις έδειχναν πως μια χαρακτηριστική παράμετρος, η γωνία μείξης θ13, δεν είναι μηδενική.

Αυτό το αποτέλεσμα δημιουργούσε τις πρώτες υποψίες πως τα νετρίνα και τα αντινετρίνα θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται διαφορετικά κατά την αλληλεπίδρασή τους με την ύλη.

Πέρυσι οι φυσικοί του πειράματος Τ2Κ ανέφεραν ότι μέσα από τις μετρήσεις τους θα μπορούσε να εξηγηθεί η υπεροχή της ύλης από την αντιύλη.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων σε κάθε στοιχειώδες σωματίδιο αντιστοιχεί ένα σωματίδιο-είδωλο, που φέρει αντίθετο φορτίο – ένα σωματίδιο αντιύλης. Όταν τα σωματίδια της ύλης συγκρούονται με τα σωματίδια αντιύλης τότε εξαϋλώνονται παράγοντας ακτινοβολία. Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι κατά την Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να παραχθούν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, γεγονός που θα σήμαινε ότι θα έπρεπε να εξαφανιστούν αρκετά γρήγορα. Αλλά αυτό δεν συνέβη. Ένα πολύ μικρό ποσοστό της γνωστής μας ύλης επιβίωσε και αποτέλεσε το περιεχόμενο του σύμπαντός μας. Κι αυτό αποτελεί ένα μυστήριο που πρέπει να ξεδιαλύνουν οι φυσικοί.

Προτάσεις υπάρχουν. Ίσως να υπάρχουν κάποιες αντιδράσεις σωματιδίων που συμβαίνουν διαφορετικά για την ύλη και την αντιύλη, π.χ. η αντιύλη μπορεί να διασπάται με διαφορετικό τρόπο δε σχέση με την ύλη. Αν συμβαίνει κάτι τέτοιο τότε θα παραβιαζόταν η συμμετρία φορτίο-ομοτιμίας (CP – Charge Parity), σύμφωνα με την οποία οι νόμοι της φυσικής δεν θα αλλάξουν αν τα σωματίδια της ύλης αντικατασταθούν με συμμετρικά κατοπτρικά σωματίδια, αντίθετου φορτίου – τα αντισωματίδιά τους. Η συμμετρία CP ισχύει για τα περισσότερα σωματίδια, όχι όμως για όλα. Τα κουάρκ παραβιάζουν την συμμετρία, αλλά οι αποκλίσεις είναι τόσο μικρές που δεν μπορούν να εξηγήσουν γιατί η ύλη κυριάρχησε ολοκληρωτικά της αντιύλης στο σύμπαν μας. Πέρυσι, η φυσικοί του πειράματος T2K ανακοίνωσαν την πρώτη ένδειξη ότι τα νετρίνα δεν υπακούουν στην συμμετρία CP, κάτι που θα μπορούσε να εξηγήσει την κυριαρχία της ύλης στον κόσμο μας.

Ένα νετρίνο που διέρχεται από τον ανιχνευτή Super-Kamiokande δημιουργεί χαρακτηριστικές φωτεινές εκλάμψεις στον ανιχνευτή.

Στην περίπτωση των νετρίνων, οι επιστήμονες του T2K διερευνούν το πώς τα νετρίνα και τα αντινετρίνα ταλαντώνονται ή μεταμορφώνονται, καθώς τα σωματίδια φτάνουν στον ανιχνευτή Super-K. Το 2016, 32 νετρίνα του μιονίου μετατράπηκαν σε νετρίνα του ηλεκτρονίου κατά την διάρκεια της διαδρομής τους προς τον Super-K. Όταν οι ερευνητές έστειλαν αντινετρίνα του μιονίου, μόνο τέσσερα από αυτά έγιναν αντινετρίνα του ηλεκτρονίου.

Αυτό το αποτέλεσμα ενθάρρυνε τους φυσικούς – παρόλο που το δείγμα ήταν πολύ μικρό και υπήρχε πιθανότητα 10% η διαφορά να είναι απλώς μια στατιστική διακύμανση. Για σύγκριση, η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs είχε πιθανότητα μικρότερη από 1 στο εκατομμύριο το σήμα να είναι μια στατιστική διακύμανση).

Φέτος, οι ερευνητές συνέλλεξαν σχεδόν το διπλάσιο των δεδομένων σε σχέση με το 2016. Ο ανιχνευτής Super-K ανίχνευσε 89 νετρίνα του ηλεκτρονίου, πολύ περισσότερα από τα 67 που θα έπρεπε να ανιχνευτούν αν ΔΕΝ υπήρχε παραβίση της συμμετρία CP. Kαι στο πείραμα εντοπίστηκαν μόνο επτά αντινετρίνα του ηλεκτρονίου, δυο λιγότερα από το αναμενόμενο.

Οι ερευνητές δεν ισχυρίζονται ότι πρόκειται για μια ξεκάθαρη ανακάλυψη. Επειδή τα δεδομένα είναι λίγα, υπάρχει μια πιθανότητα 1 προς 20 να είναι απλά ένα στατιστικό σφάλμα και να μην υφίσταται παραβίαση της CP συμμετρίας. Η ανακάλυψη θα γίνει αποδεκτή όταν η πιθανότητα στατιστικού σφάλματος μειωθεί στα 3 προς 1000, κάτι που θα επιτευχθεί μέχρι τα μέσα της δεκαετίας 2020.

http://physicsgg.me/2017/12/14/%cf%84%ce%b1-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%b1-%ce%bc%cf%80%ce%bf%cf%81%ce%bf%cf%8d%ce%bd-%ce%bd%ce%b1-%ce%bb%cf%8d%cf%83%ce%bf%cf%85%ce%bd-%cf%84%ce%bf-%ce%bc%cf%85%cf%83%cf%84%ce%ae%cf%81/

Το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων και η δικαίωση του John Bahcall

O Τζον Μπακώλ (30 Δεκεμβρίου 1934 – 17 Αυγούστου 2005) γεννήθηκε και μεγάλωσε στην Λουιζιάνα. Στο Λύκειο υπήρξε πολύ καλός τενίστας και πρωταθλητής στους αγώνες επιχειρηματολογίας. Φιλοδοξία του ήταν να σπουδάσει φιλοσοφία και να γίνει ραβίνος. Ύστερα από έναν χρόνο στο Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Λουιζιάνας, παρακολούθησε θερινά μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνιας. Εκεί του άρεσε πολύ κι έτσι παρέμεινε για προπτυχιακές σπουδές φιλοσοφίας, χάρη σε έναν συγγενή που δέχτηκε να καλύψει τα έξοδα των σπουδών του.

Για να αποφοιτήσει έπρεπε να παρακολουθήσει και ένα μάθημα θετικών επιστημών. Έπεισε όμως κάποιον καθηγητή να του επιτρέψει να παρακολουθήσει ένα μάθημα φυσικής, μολονότι ο ίδιος δεν είχε παρακολουθήσει ούτε ένα μάθημα θετικών επιστημών στο λύκειο. Τότε ήταν που ο Μπακώλ ανακάλυψε το πάθος του για την επιστήμη αυτή. Όπως θυμόταν αργότερα: «Ήταν το πιο δύσκολο πράγμα που έχω κάνει στη ζωή μου, όμως ερωτεύθηκα τις θετικές επιστήμες. Με είχε συναρπάσει το γεγονός ότι γνωρίζοντας λίγη φυσική μπορούσες να καταλάβεις πώς λειτουργούν χειροπιαστά πράγματα, όπως τα ηλιοβασιλέματα και τα αεροπλάνα, και ότι μετά από λίγο οι πάντες συμφωνούσαν ως προς τη σωστή απάντηση σε μια ερώτηση». Ο Μπακώλ άλλαξε προσανατολισμό στις σπουδές του, έκανε μεταπτυχιακά στη φυσική στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου και διδακτορικό στο Χάρβαρντ.

Το 1960 όταν εργαζόταν ως ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα, ο Μπακώλ έστειλε για δημοσίευση στο Physical Review ένα άρθρο για τις διεργασίες της διάσπασης βήτα στα άστρα. Προς μεγάλη του έκπληξη, προτού καν κυκλοφορήσει το περιοδικό, έλαβε μια επιστολή από τον Ουίλλυ Φάουλερ (από τον οποίο ο εκδότης του περιοδικού είχε ζητήσει να αξιολογήσει το άρθρο), που τη συνόδευε μια πρόταση να δουλέψει στο Καλτέκ. Ο Φάουλερ είχε εντυπωσιαστεί σε τέτοιο βαθμό από την εργασία του Μπακώλ, ώστε έγραψε στον Ρέυ Ντέιβις (που προσπαθούσε να ανιχνεύσει τα νετρίνα που εκπέμπονται από τον ήλιο) για τον νεαρό επιστήμονα, προτρέποντάς τον να επικοινωνήσει μαζί του. Έτσι λοιπόν, ο Ντέιβις έγραψε στον Μπακώλ και του ζήτησε να τον βοηθήσει να βελτιώσει τις προβλέψεις του για την ηλιακή παραγωγή νετρίνων, υπολογίζοντας τους ρυθμούς των σχετικών πυρηνικών διεργασιών. Ο Μπακώλ προθυμοποιήθηκε να το κάνει με μεγάλη ευχαρίστηση κι έτσι άρχισε μια στενή επιστημονική συνεργασία και μια προσωπική φιλία που κράτησε πάνω από πέντε δεκαετίες.

Στις αρχές του 1964, ο Μπακώλ και ο Νέιβις δημοσίευσαν διαδοχικές περιγραφές της θεωρίας και του πειράματός τους, υποστηρίζοντας την ανάγκη για την κατασκευή μιας δεξαμενής με 380.000 λίτρα υγρό καθαρισμού για να συλλάβουν ηλιακά νετρίνα. Κι αυτό έγινε στο χρυσορυχείο Χόμστεικ στη Νότια Ντακότα.

To θεωρητικό μοντέλο του Μπακώλ χρησιμοποιούσε τις βασικές αστροφυσικές αρχές όσον αφορά την δομή και την δυναμική συμπεριφορά του ήλιου, σε συνδυασμό με τα δεδομένα από την πυρηνική φυσική σχετικά με τις πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ήλιου, και υπολόγιζε την παραγωγή των νετρίνων υψηλής ενέργειας που παράγονταν στο ήλιο και στη συνέχεια τον ρυθμό με τον οποίο θα μπορούσαν να ανιχνευτούν στον ανιχνευτή του Χόμστεικ.

Το φθινόπωρο του 1966 όλα ήταν έτοιμα για να αρχίζει το πείραμα. Εν τω μεταξύ, ο Μπακώλ είχε συνεχίσει να βελτιώνει τους υπολογισμούς του για τον ρυθμό αντιδράσεων των ηλιακών νετρίνων που θα έπρεπε να ανιχνεύσει ο Ντέιβις με τον ανιχνευτή του.

Η ανίχνευση των ηλιακών νετρίνων βασίζονταν στην αντίδραση: ν + 37Cl → 37Ar + e–

Tα σπάνια άτομα του αερίου 37Ar είναι ασταθή και έχουν χρόνο ημιζωής περίπου 35 ημέρες. Με μια κοπιώδη διαδικασία ο Ντέιβις αφού περίμενε αρκετές εβδομάδες ώστε να δημιουργηθούν άτομα αργού, άδειαζε την δεξαμενή χρησιμοποιώντας αέριο ήλιο το οποίο θα παρέσερνε το αργό και μετά από πολλά σύνθετα στάδια έπαιρνε το τελικό δείγμα ατόμων αργού. Ο όγκος τους ήταν ίσος με έναν μικρό κύβο ζάχαρης, και μετρώντας την αποδιέγερσή τους με έναν απαριθμητή Γκάιγκερ, υπολόγιζε τον αριθμό των νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονταν από τον ήλιο.

Σύμφωνα με τις βέλτιστες εκτιμήσεις του Μπακώλ, τα νετρίνα που αλληλεπιδρούσαν με το χλώριο θα έπρεπε να παραγάγουν λίγες δεκάδες άτομα αργού κάθε λίγες εβδομάδες. Ο Ντέιβις ήταν βέβαιος ότι θα μπορούσε να τα ανιχνεύσει σχεδόν όλα. Ο ίδιος ο Μπακώλ έγραψε: «Εγώ, που δεν είμαι χημικός, νιώθω δέος μπροστά στο μέγεθος του εγχειρήματος [του Ντέιβις] και στην ακρίβεια με την οποία μπορεί να το φέρει σε πέρας. Μπορεί να εντοπίσει και να αφαιρέσει από τη δεξαμενή τις λίγες δεκάδες άτομα ραδιενεργού αργού που ενδέχεται να δημιουργηθούν στο εσωτερικό της από τη σύλληψη ηλιακών νετρίνων. Η αναζήτηση βελόνας στ’ άχυρα μοιάζει πανεύκολη μπροστά σ’ αυτό». Μετά από δυο χρόνια συλλογής δεδομένων στο ορυχείο Χόμστεϊκ, ο Ντέιβις ανακοίνωσε τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματός του σε ένα συνέδριο στο Καλτέκ, το 1968. Υποστήριξε ότι είχε ανιχνεύσει ηλιακά νετρίνα, αλλά ο αριθμός τους ήταν μόνο το ένα τρίτο σε σχέση με την πρόβλεψη των μοντέλων του Μπακώλ. Η ανίχνευση των ηλιακών νετρίνων από μόνη της, η ματιά στην καρδιά ενός άστρου για πρώτη φορά, ήταν ένα εντυπωσιακό κατόρθωμα – παρόλα αυτά, εκείνο που έγινε πρωτοσέλιδο ήταν η μεγάλη διαφορά μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης.

Ο Μπακώλ φοβόταν ότι τα αποτελέσματα του Ντέιβις σήμαιναν ότι το ηλιακό του μοντέλο ήταν εσφαλμένο. Ο νεαρός θεωρητικός ήταν τόσο σκυθρωπός στο συνέδριο το Καλτέκ ώστε ο θρύλος της φυσικής Ρίτσαρντ Φάυνμαν, ο οποίος τρία χρόνια νωρίτερα είχε μοιραστεί μαζί με δυο συναδέλφους του το βραβείο Νόμπελ για την εργασία του στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, τον ρώτησε αν ήθελε να πάνε μια βόλτα. Οι δυο τους περπατούσαν στην πανεπιστημιούπολη κουβεντιάζοντας περί ανέμων και υδάτων, όταν κάποια στιγμή, όπως θυμάται ο Μπακώλ, ο Φάυνμαν προσπάθησε να τον παρηγορήσει: «Κοίτα, είδα ότι μετά την ομιλία ήσουν πολύ στεναχωρημένος και θέλω μόνο να σου πω ότι κατά τη γνώμη μου δεν υπάρχει κανένας λόγος να είσαι. Ακούσαμε όλοι όσα έκανες και δεν διαπίστωσε κανένας κάποιο λάθος στους υπολογισμούς σου. Δεν γνωρίζω γιατί το αποτέλεσμα του Ντέιβις δεν συμφωνεί με αυτούς, αλλά δεν πρέπει να αποθαρρύνεσαι επειδή – ποιος ξέρει; – ίσως να έχετε καταφέρει μαζί κάτι πολύ σημαντικό».

Κατά την διάρκεια των ετών από το 1968 μέχρι το 1983 το πείραμα του Ντέιβις μέτρησε 2,1±0,3 SNU (Solar Neutrino Unit) , κάτι που είναι ισοδύναμο με την παραγωγή ενός ατόμου 37Ar στην δεξαμενή χλωρίου κάθε τρεις ημέρες. Όμως, ο ρυθμός διέφερε κατά έναν παράγοντα 3 σε σχέση με τον ρυθμό που υπολόγιζε ο Μπακώλ θεωρητικά, 5,8±2,2 SNU. Αυτή η διαφορά έμεινε στην ιστορία ως το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

Αρχικά οι επιστήμονες κατηγόρησαν τους πειραματικούς φυσικούς (πάντοτε αποτελούν τον πιο εύκολο αποδιοπομπαίο τράγο σε τέτοιες περιπτώσεις). Όμως ο Ρέι Ντέιβις ήταν βέβαιος για το πείραμά του. Γνώριζε πως αν είχε κάνει κάποιο λάθος και δεν είχε θωρακίσει κατάλληλα τη διάταξή του από την περιβάλλουσα ακτινοβολία, θα παρατηρούσε περισσότερα γεγονότα και όχι λιγότερα. Στη συνέχεια έριξαν το φταίξιμο στον θεωρητικό φυσικό. Οι φυσικοί βάλθηκαν να γελοιοποιήσουν τον Τζον Μπακώλ. Σε ένα συνέδριο, ο ομιλητής που συνόψισε τα αποτελέσματα έκανε πλάκα με το μοντέλο του Μπακώλ χρησιμοποιώντας ως γραφήματα χιουμοριστικές καρικατούρες. Όπως θυμάται ο Μπακώλ, «κατάφερε να κάνει όλο το ακροατήριο, μαζί κι εμένα, να γελάμε με το θράσος αυτού του τύπου που ισχυριζόταν ότι μπορούσε να βγάλει συμπεράσματα για τη σωματιδιακή φυσική με βάση αυτόν το περίπλοκο ήλιο».

Αργότερα, το 1989, το αναβαθμισμένο πείραμα ανίχνευσης ηλιακών νετρίνων Kamiokande στην Ιαπωνία, όταν ανακοίνωσε τα αποτελέσματά του, αυτά συμφωνούσαν με τα ευρήματα του Ντέιβις: τα νετρίνα που ανίχνευε ήταν το 1/3 από αυτά που προέβλεπε το θεωρητικό μοντέλο του Μπακώλ.

Αυτή η εξοργιστική ασυμφωνία πειραμάτων – θεωρίας συνεχιζόταν μέχρι που τελικά επιβεβαιώθηκε η πρόταση που πρώτος διατύπωσε ο Μπρούνο Ποντεκόρβο (ένα από τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα), ότι τα νετρίνα πάσχουν από διαταραχή πολλαπλής προσωπικότητας. Αποδείχθηκε ότι, εκτός του ότι τα νετρίνα διαθέτουν μάζα – αυτό δεν προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο – τα νετρίνα του ηλεκτρονίου στα 8 λεπτά της διαδρομής τους από τον ήλιο στη γη αλλάζουν ταυτότητα, με αποτέλεσμα να φτάνει στους γήινους ανιχνευτές μόνο το 1/3 των νετρίνων του ηλεκτρονίου που παράγονται στον ήλιο, όπως ακριβώς προέβλεπε πολλά χρόνια πριν ο θεωρητικός φυσικός Τζον Μπακώλ [διαβάστε σχετικά: Η αποκάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων – Νόμπελ Φυσικής 2015].

https://physicsgg.me/2015/10/09/%CE%B7-%CE%B1%CF%80%CE%BF%CE%BA%CE%AC%CE%BB%CF%85%CF%88%CE%B7-%CF%84%CF%89%CE%BD-%CF%84%CE%B1%CE%BB%CE%B1%CE%BD%CF%84%CF%8E%CF%83%CE%B5%CF%89%CE%BD-%CF%84%CF%89%CE%BD-%CE%BD%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%AF/

And now with proper spelling, with apologies to the Bahcall family.

— The Center for Neutrino Physics (@Center4NuPhys) December 30, 2017

http://physicsgg.me/2017/12/30/%cf%84%ce%bf-%cf%80%cf%81%cf%8c%ce%b2%ce%bb%ce%b7%ce%bc%ce%b1-%cf%84%cf%89%ce%bd-%ce%b7%ce%bb%ce%b9%ce%b1%ce%ba%cf%8e%ce%bd-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%cf%89%ce%bd-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%ce%b7/

Η «μουσική» των νετρίνων.

Μια συνεργασία μεταξύ Τέχνης και Επιστήμης στο Νότιο Πόλο

Πρόκειται για μια ταινία διάρκειας περίπου 5 λεπτών που δημιουργήθηκε από διαδοχικές φωτογραφίες, κατά την διάρκεια 24 ωρών στο Νότιο Πόλο, ενώ ταυτόχρονα ακούγεται η συλλογή δεδομένων του ανιχνευτή νετρίνων IceCube, που μετασχηματίστηκε σε ήχο πιάνου.Ο ανιχνευτής IceCube καταλαμβάνει ένα κυβικό χιλιόμετρο πάγου και είναι θαμμένος σε βάθος 1,5 χιλιομέτρου κάτω από την επιφάνεια του Νότιου Πόλου. Συνίσταται από μια διάταξη 86 κατακόρυφων σωλήνων, κατά μήκος των οποίων υπάρχουν δεκάδες εξαιρετικά ευαίσθητοι αισθητήρες φωτός – συνολικά περιέχονται 5.160 φωτοαισθητήρες ή ψηφιακές οπτικές μονάδες (DOMs=Digital Optical Modules). Οι σωλήνες είναι τοποθετημένοι σε πηγάδια μέσα στον πάγο, με τέτοιον τρόπο ώστε όλοι μαζί να μπορούν να ανιχνεύσουν συγκρούσεις που γίνονται σε βάθος 1,5 έως και 2,5 χιλιόμετρα κάτω από την παγωμένη επιφάνεια του Νότιου Πόλου.

Από τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις των νετρίνων με τα νουκλέονια των πάγων προκύπτουν σχετικιστικά μιόνια, τα οποία με τη σειρά τους δημιουργούν φωτόνια Cherenkov. Τα φωτόνια συλλέγονται από τα DOMs και μετασχηματίζονται σε ηλεκτρικά σήματα που καταγράφονται στους υπολογιστές.

Στην ταινία, της οποίας ο τίτλος είναι «Axis mundi», φαίνονται η περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της και οι φευγαλέες κινήσεις των νεφών κατά την διάρκεια ενός 24ώρου, ενώ ταυτόχρονα ακούγονται, ως ήχος ενός πιάνου, τα σήματα των σωματιδίων που συλλέγει ο τεράστιος ανιχνευτής.

Το πως ακριβώς τα σήματα των φωτοανιχνευτών μετατρέπονται σε νότες, ώστε να προκύψει το σάουντρακ της ταινίας, περιγράφεται στην δημοσίευση με τίτλο:

«Synergy between Art and Science: Collaboration at the South Pole«.

https://arxiv.org/abs/1908.08812

https://physicsgg.me/2019/08/29/%ce%b7-%ce%bc%ce%bf%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%ae-%cf%84%cf%89%ce%bd-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%cf%89%ce%bd/

Νέα εκτίμηση για την μάζα του νετρίνου.

Σε συνέδριο αστροσωματιδιακής φυσικής που πραγματοποιήθηκε στην Τογιάμα της Ιαπωνίας, η ερευνητική ομάδα του πειράματος KATRIN ανακοίνωσε τους νέους υπολογισμούς της για το εύρος της μάζας ηρεμίας του νετρίνου. Σύμφωνα με την ανακοίνωση «An improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN»

https://arxiv.org/abs/1909.06048

, η μάζα ηρεμίας του νετρίνου δεν ξεπερνά το 1,1 ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Η μάζα αυτή αντιστοιχεί σε ≈2·10–36 χιλιόγραμμα (kg).

Aυτό το αποτέλεσμα μειώνει το μέχρι σήμερα αποδεκτό άνω όριο της μάζας του νετρίνου στο μισό, από 2 eV σε 1 eV.

Το κατώτερο όριο για τη μάζα του νετρίνο που καθορίστηκε από παλαιότερα πειράματα άλλων ερευνητικών ομάδων είναι 0,02 eV.

Η καρδιά του πειράματος KATRIN είναι η πηγή που παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων-νετρίνων. Πρόκειται για το αέριο τρίτιο , ενός ραδιενεργού ισοτόπου του υδρογόνου με χρόνο ημιζωής t½=12,32y, ο πυρήνας του οποίου περιέχει ένα πρωτόνιο και δυο νετρόνια.

Όταν ο πυρήνας του τριτίου διασπάται, εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο, τα οποία μοιράζονται ενέργεια 18.560 eV:

^{3}H \longrightarrow \,\, ^{3}He + e^{-} + \bar{\nu}_{e}

Οι επιστήμονες του KATRIN δεν μπορούν να μετρήσουν απευθείας την μάζα των νετρίνων, αλλά το κάνουν έμμεσα μετρώντας τις ιδιότητες των παραγόμενων ηλεκτρονίων. Τα περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων-νετρίνων που εκπέμπονται από το τρίτιο μοιράζονται την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την διάσπαση. Όμως, σε σπάνιες περιπτώσεις, το ηλεκτρόνιο παίρνει σχεδόν όλη την ενέργεια – αφήνοντας μόνο ένα μικρό ποσό για το νετρίνο. Αυτά τα σπάνια ζεύγη είναι που αναζητούν οι επιστήμονες του KATRIN. Σύμφωνα με την εξίσωση E = mc2 – η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απομένει σ’ αυτές τις περιπτώσεις στο νετρίνο σχεδόν ισούται με την ενέργεια που αντιστοιχεί στην μάζα ηρεμίας του. Εάν το KATRIN μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια την ενέργεια του ηλεκτρόνιου, μπορεί να προσδιορίσει και την αντίστοιχη ενέργεια του νετρίνου και επομένως να εκτιμήσει την μάζα ηρεμίας του.

Για να είμαστε ακριβείς, διευκρινίζουμε ότι μετρήθηκε η μάζα του αντινετρίνου του ηλεκτρονίου που εκπέμπεται κατά την διάσπαση β– και όχι του νετρίνου του ηλεκτρονίου που εκπέμπεται στην διάσπαση β+. Όμως δεν έχουμε μια ξεκάθαρη ιδέα της διαφοράς μεταξύ του νετρίνου και του αντισωματιδίου του.Το νετρίνο θα μπορούσε να είναι σωματίδιο Majorana, δηλαδή να ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του.

Η μάζα του νετρίνου είναι μεν πολύ μικρή, αλλά έχει τεράστια σημασία στην φυσική. Παρά την ελάχιστη μάζα τους, τα νετρίνα υπάρχουν σε τεράστιες ποσότητες στο σύμπαν, οπότε το άθροισμα των πολύ μικρών μαζών τους μπορεί να γίνει σημαντικό. Η μάζα του συνόλου των νετρίνων του σύμπαντος εκτιμάται ότι είναι περίπου ίσο με τη μάζα όλων των ορατών άστρων στο σύμπαντος!

Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, την θεωρία που περιγράφει με εξαιρετική επιτυχία τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, τα νετρίνα θεωρούνται ως σωματίδια χωρίς μάζα. Η μάζα των νετρίνων, έστω και ελάχιστη, μας υπενθυμίζει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι μια προβληματική θεωρία.

Η ερευνητική ομάδα του πειράματος KATRIN (σε φωτογραφία του 2010)

https://physicsgg.me/2019/09/18/%ce%bd%ce%ad%ce%b1-%ce%b5%ce%ba%cf%84%ce%af%ce%bc%ce%b7%cf%83%ce%b7-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%ce%bc%ce%ac%ce%b6%ce%b1-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%bf%cf%85/

Ερευνητές θέτουν νέο ανώτερο όριο στη μάζα του νετρίνο.

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε ένα νέο φασματόμετρο για να βρει και να θέσει ένα ανώτατο όριο για τη μάζα ενός νετρίνο. Στο άρθρο που δημοσίευσε στο περιοδικό Physical Review Letters, η ομάδα περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο κατέληξε στο νέο όριο και γιατί θεωρούν ότι ήταν σημαντικό.

Τα νετρίνα είναι μυστηριώδη - οι επιστήμονες έχουν βρει στοιχεία για την ύπαρξή τους, αλλά εξακολουθούν να αγωνίζονται να κατανοήσουν τις ιδιότητές τους. Θα ήθελαν να μάθουν περισσότερα για αυτά τα σωματίδια επειδή είναι τόσο άφθονα - οι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπάρχουν ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερα νετρίνα στο σύμπαν απ’ ό,τι άτομα. Πολλοί πιστεύουν επίσης ότι κατέχουν το κλειδί για την κατανόηση του πρώιμου σύμπαντος και ίσως της ίδιας της φυσικής στο μικρότερο δυνατό επίπεδο. Μία ιδιότητα του νετρίνου ειδικότερα που οι επιστήμονες θα ήθελαν να εξακριβώσουν είναι η μάζα του - μέχρι πρόσφατα, θεωρείτο ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν είχαν καθόλου μάζα. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες έχουν διαπιστώσει ότι αυτό δεν συμβαίνει. Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστεί η μάζα τους. Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τρεις προσεγγίσεις για να βρουν την απάντηση. Η πρώτη περιλαμβάνει τη μελέτη του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Ο δεύτερος τρόπος περιλαμβάνει τη διεξαγωγή ερευνών για περιπτώσεις διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνο - ένα εξαιρετικά σπάνιο γεγονός. Η τρίτη μέθοδος περιλαμβάνει την προσπάθεια να μετρηθεί η μάζα του νετρίνου απευθείας με τρόπους που δεν βασίζονται σε ένα θεωρητικό μοντέλο. Σε αυτή τη νέα προσπάθεια, οι ερευνητές υιοθέτησαν την τρίτη προσέγγιση.

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν το έργο τους ως μέρος του πειράματος Neutrino Tritium Karlsruhe (KATRIN) στην πανεπιστημιούπολη του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καρλσρούης στη Γερμανία. Το βασικό κομμάτι του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στο χώρο είναι ένα φασματόμετρο ηλεκτρονίων 200 τόνων. Οι ερευνητές το χρησιμοποίησαν για να μελετήσουν την αποσύνθεση του τριτίου - έναν ραδιενεργό τύπο υδρογόνου. Όταν διασπάται, εκπέμπει ένα μόνο ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο ταυτόχρονα. Μετρώντας την ενέργεια του απελευθερούμενου ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας το φασματόμετρο, μπόρεσαν να κάνουν μια υπολογιστική εκτίμηση της μάζας του νετρίνο σε μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι ήταν δυνατό πριν. Διαπίστωσαν ότι το ανώτατο όριο τους περιορίστηκε σε 1.1 electronvolts, περίπου το μισό από το ανώτατο όριο που είχε καθοριστεί προηγουμένως. Αυτή η τιμή είναι επίσης πολύ μικρή - περίπου 500.000 φορές μικρότερη από αυτήν ενός ηλεκτρονίου.

https://eef.gr/articles/nea-maza-netrino

Η Ιαπωνία θα κατασκευάσει τον μεγαλύτερο ανιχνευτή νετρονίων στον κόσμο.

Η ιαπωνική κυβέρνηση δεν έχει ακόμη κάνει επίσημη ανακοίνωση ότι θα προχωρήσει στην υλοποίηση του ανιχνευτή Hyper-Kamiokande, αλλά πολλοί επιστήμονες δήλωσαν στο «Nature» ότι το ιαπωνικό υπουργικό συμβούλιο ενέκρινε στις 13 Δεκεμβρίου την πρώτη δόση ύψους 3,5 δισεκατομμυρίων γεν (32 εκατ. δολαρίων). Η Ιαπωνία θα κατασκευάσει τον μεγαλύτερο ανιχνευτή νετρονίων στον κόσμο, μετά από σχετική έγκριση του υπουργικού συμβουλίου. Η χρηματοδότηση του φιλόδοξου σχεδίου θα κοστίσει σχεδόν 65 δισεκατομμύρια γεν (περίπου 600 εκατομμύρια δολάρια).

Ο ανιχνευτής Hyper-Kamiokande θα δημιουργηθεί μέσα σε ένα γιγάντιο υπόγειο σπήλαιο, που θα ανοιχτεί δίπλα στο ορυχείο Καμιόκα της πόλης Χίντα και θα περιλαμβάνει 260.000 τόνους απολύτως καθαρού νερού, έχοντας πενταπλάσιο όγκο σε σχέση με τον ήδη τεράστιο ανιχνευτή νετρονίων Super-Kamiokande.

Οι Ιάπωνες φυσικοί έχουν βάλει τα δυνατά τους να κάνουν πρώτοι στον κόσμο επαναστατικές ανακαλύψεις σε σχέση με τα φευγαλέα νετρινα, τα οποία προέρχονται από διάφορες πηγές, όπως η κοσμική ακτινοβολία, ο Ήλιος, οι εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων (σούπερ-νόβα) και οι επιταχυντές σωματιδίων.

Εκτός από τη «σύλληψη» των ίδιων των νετρονίων, που αποτελούν σωματίδια-φαντάσματα, οι επιστήμονες της Ιαπωνίας φιλοδοξούν να δουν αυθόρμητη διάσπαση των πρωτονίων σε ατομικούς πυρήνες, κάτι που, αν παρατηρηθεί, θα ήταν επαναστατικό, καθώς ποτέ έως τώρα δεν το έχουν δει οι φυσικοί. Ελπίζουν, επίσης, να μελετήσουν τις διαφορές στη συμπεριφορά των νετρίνων και των αντινετρίνων (σωματιδίων αντι-ύλης), μία ασυμμετρία που ίσως βοηθήσει στην κατανόηση του γιατί το σύμπαν περιέχει κυρίως ύλη, αλλά λίγη αντι-ύλη.

Η ιαπωνική κυβέρνηση δεν έχει ακόμη κάνει επίσημη ανακοίνωση ότι θα προχωρήσει στην υλοποίηση του ανιχνευτή Hyper-Kamiokande, αλλά πολλοί επιστήμονες δήλωσαν στο «Nature» ότι το ιαπωνικό υπουργικό συμβούλιο ενέκρινε στις 13 Δεκεμβρίου την πρώτη δόση ύψους 3,5 δισεκατομμυρίων γεν (32 εκατ. δολαρίων). Θα πρέπει να ακολουθήσει η έγκριση του προϋπολογισμού του σχεδίου και από το ιαπωνικό Κοινοβούλιο, κάτι που αναμένεται να γίνει τον Ιανουάριο.

Η Ιαπωνία θα καλύψει τα τρία τέταρτα (75%) του συνολικού κόστους των 64,9 δισ. γεν, ενώ το υπόλοιπο 25% θα καλυφθεί από τους διεθνείς συνεργάτες του σχεδίου, καθώς αρκετές ακόμη χώρες θα εμπλακούν στον νέο υπερ-ανιχνευτή, αν και η συνεισφορά τής κάθε μίας δεν έχει καθοριστεί μέχρι στιγμής.

Ο ανιχνευτής Hyper-Kamiokande θα αποτελείται από μία δεξαμενή νερού με βάθος 75 και πλάτος 68 μέτρα. Ο υπόγειος χώρος που θα φιλοξενηθεί θα δημιουργηθεί με εκρηκτικά, σε απόσταση οκτώ χιλιομέτρων από τις εγκαταστάσεις του ορυχείου Καμιόκα. Η δεξαμενή θα εφοδιαστεί με ευαίσθητους φωτο-ανιχνευτές που θα μπορούν να «πιάσουν» τις αμυδρές λάμψεις που εκπέμπονται, όταν ένα νετρίνο, αφού διαπεράσει τους βράχους, συγκρουστεί με ένα άτομο μέσα στο νερό, με αποτέλεσμα να εκτοξευθεί ένα φορτισμένο σωματίδιο με μεγάλη ταχύτητα.

Ο νέος ανιχνευτής, γνωστός και ως Hyper-K, θα είναι το ένα από τα τρία μεγάλα πειράματα επόμενης γενιάς για την ανίχνευση νετρίνων, που θα τεθούν σε λειτουργία μέσα στη δεκαετία του 2020. Τα άλλα δύο είναι το πείραμα DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) που αναμένεται να ξεκινήσει στις ΗΠΑ το 2025 και το JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) που θα αρχίσει στην Κίνα το 2021.

https://www.skai.gr/news/technology/i-iaponia-tha-kataskeyasei-ton-megalytero-anixneyti-netronion-ston-kosmo

Τι συμβαίνει με την μάζα των νετρίνων;

To 1998, oι φυσικοί έκαναν μια ανακάλυψη που κλόνισε την καθιερωμένη θεωρία τους για τα στοιχειώδη σωματίδια και έφερε στο προσκήνιο για τις επόμενες δεκαετίες ένα ταπεινό σωματίδιο.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο, η θεωρία που περιγράφει την φυσική των θεμελιωδών σωματιδίων της ύλης από την οποία είμαστε φτιαγμένοι, προέβλεπε ότι η μάζα των σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα δεν έχουν μάζα. Τα πειράματα έδειχναν πως τα νετρίνα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, κάτι που μόνο ένα σωματίδιο με μάζα ηρεμίας μηδέν μπορούσε να το πετύχει.

Όμως οι φυσικοί του ανιχνευτή νετρίνων Super-Kamiokande στην Ιαπωνία από τα πρώτα δεδομένα που συνέλεξαν έβλεπαν πως τα νετρίνα είχαν μια πολύ μικρή μάζα, αλλά ασφαλώς όχι μηδενική. Το γεγονός αυτό τους έφερε σε αμηχανία γιατί δεν μπορούσαν να το εξηγήσουν. Προφανώς κάτι έλειπε από την μέχρι τότε αποδεκτή θεωρία.

Τώρα γνωρίζουμε. Τα νετρίνα έχουν μάζα. Είναι απίστευτα ελαφρά – ένα εκατομμύριο φορές ελαφρότερα από το αμέσως επόμενο ελαφρύτερο σωματίδιο, το ηλεκτρόνιο. Τρισεκατομμύρια νετρίνα διασχίζουν το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, και αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη.

Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενέστατα με την ύλη, τα πειράματα που διερευνούν τις ιδιότητές του είναι πολύ δύσκολα, και οι γνώσεις μας γι’ αυτά είναι περιορισμένες, σε σχέση με τα άλλα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου.

Τι γνωρίζουμε για τα νετρίνα;

Γνωρίζουμε ότι εμφανίζονται με τρεις γεύσεις. Και όχι με μόνο μια από αυτές. Καθώς κινούνται στον χώρο μεταπίπτουν από την μια γεύση στην άλλη – ένα φαινόμενο γνωστό με το όνομα ταλαντώσεις νετρίνων. Αυτό το φαινόμενο δεν θα ήταν δυνατό αν τα νετρίνα είχαν μηδενική μάζα.

Αλλά από πού προέρχεται αυτή η μάζα;

Τα νετρίνα ανήκουν στην κατηγορία των στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια[1]. Όλα τα άλλα φερμιόνια, όπως τα λεπτόνια και τα κουάρκ «κερδίζουν» την μάζα τους μέσα από την αλληλεπίδρασή τους με το μποζόνιο Higgs. Όμως τα νετρίνα δεν φαίνεται να ακολουθούν τον ίδιο δρόμο.

Οι φυσικοί έχουν προτείνει εκατοντάδες θεωρίες για το πώς τα νετρίνα αποκτούν την μάζα τους και ο καθένας έχει την προτίμησή του. Ίσως υπάρχει μια άλλη πηγή μάζας την οποία δεν γνωρίζουμε. Ίσως η μάζα των νετρίνων να προκύπτει από την αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs και αυτής της άγνωστης πηγής μάζας.

Υπάρχουν πολλές προτάσεις-απαντήσεις, κι αν είμαστε τυχεροί η ερώτηση γίνεται: ποια είναι η σωστή απάντηση; Το σίγουρο είναι ότι στο ερώτημα, «ποιος είναι ο τρόπος με τον οποίο η φύση επιλέγει να δώσει μάζα στα νετρίνα;» δεν έχει ακόμα απαντηθεί οριστικά.

Το κρυμμένο νετρίνο

Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα, τα νετρίνα δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το πεδίο Higgs, διότι δεν είναι δεξιόστροφα. Τα σωματίδια μπορούν να είναι ή αριστερόστροφα ή δεξιόστροφα. Οι ονομασίες αυτές δείχνουν τον προσανατολισμό του σπιν τους σε σχέση με την κατεύθυνση της ορμής τους. Η ιδιότητα προσανατολισμού, δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη ονομάζεται «χειραλικότητα».

Μπορείτε να θεωρήσετε τα περισσότερα σωματίδια αμφιδέξια. Εμφανίζονται τόσο ως αριστερόμορφα όσο και ως δεξιόμορφα. Όταν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs, αλλάζει χειραλικότητα από αριστερά προς δεξιά ή δεξιά προς αριστερά. Αυτή η αλλαγή πρέπει να συμβεί ώστε το πεδίο να δώσει μάζα στα σωματίδια.

Τα αριστερόστροφα σωματίδια συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από τα δεξιόστροφα σωματίδια. Άρα χρειάζεστε κάτι για να τα κολλήσετε μαζί, κι αυτό είναι το μποζόνιο Higgs.

Αλλά στην περίπτωση των νετρίνων, αυτό είναι πιο περίπλοκο. Τούτο συμβαίνει επειδή, όλα τα νετρίνα φαίνεται πως είναι αριστερόστροφα.

Η έλλειψη δεξιόστροφου νετρίνου αποτελεί το βασικότερο μυστήριο των νετρίνων. Δεν γνωρίζουμε αν ένα τέτοιο σωματίδιο υπάρχει στην πραγματικότητα. Και εάν υπάρχει το δεξιόστροφο νετρίνο, πρέπει να είναι τόσο αδρανές, ώστε να αλληλεπιδρά μόνο με το μποζόνιο Higgs, και γιαυτό ιδιαίτερα δύσκολο να εντοπιστεί.

Το νετρίνο ως το αντισωματίδιό του

Παρόλο που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη ανιχνεύσει δεξιόστροφα νετρίνα, γνωρίζουν ήδη μια διαφορετική ομάδα δεξιόστροφων σωματιδίων στο οικοσύστημα των νετρίνων: τα αντινετρίνα. Αυτό μας συνδέει με την επόμενη θεωρία: Είναι πιθανό ένα νετρίνο να είναι στην πραγματικότητα και το αντισωματίδιό του.

Κάθε θεμελιώδες σωματίδιο αντιστοιχεί σε ένα αντισωματίδιο με ορισμένα κατοπτρικά χαρακτηριστικά, όπως αντίθετο φορτίο (για παράδειγμα, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και το θετικά φορτισμένο αντισωματίδιό του, το ποζιτρόνιο). Τα αντισωματίδια αποκτούν την μάζα τους όπως ακριβώς και τα αντίστοιχά τους σωματίδια.

Το νετρίνο και το αντινετρίνο, είναι και τα δύο ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια. Εδώ λοιπόν προκύπτει ένας γρίφος: Αν μοιάζει με νετρίνο και δρα σαν νετρίνο, δεν σημαίνει ότι το αντινετρίνο μπορεί να είναι το ίδιο σωματίδιο με το νετρίνο;

Εάν το αντινετρίνο και το νετρίνο είναι απλώς δεξιόστροφες και αριστερόστροφες εκδοχές του ίδιου σωματιδίου, τότε θα πρέπει να μπορούν να αλληλεπιδρούν ώστε να αποκτήσουν μάζα. Που σημαίνει ότι τα νετρίνα είναι αυτό που ονομάζουμε φερμιόνια Majorana, το οποίο μπορεί να προκύψει μόνο όταν τόσο το σωματίδιο όσο και το αντισωματίδιο είναι πανομοιότυπα.

Σε αυτό το σενάριο, το νετρίνο θα πάρει τη μάζα του μέσω μιας αλληλεπίδρασης με το αντινετρίνο του. Για να γίνει αυτό, οι θεωρητικοί θα πρέπει να εφεύρουν κάτι άλλο, όπως μια μοναδική μορφή του μποζονίου Higgs ειδική για την αλληλεπίδραση νετρίνων.

Μια εναλλακτική θεωρία χωρίς το Higgs

Η πιο δημοφιλής θεωρία προτείνει έναν εντελώς νέο μηχανισμό για την μάζα των νετρίνων, εισάγοντας ένα νέο σωματίδιο πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η νέα αυτή οντότητα θα μπορούσε να είναι ένα πολύ βαρύ σωματίδιο, που μοιάζει με δεξιόστροφο νετρίνο, αλλά με διαφορετική μάζα. Θα μπορούσε να είναι κάτι που μοιάζει με το μποζόνιο Higgs ή ένα είδος σωματιδίου σαν το ηλεκτρόνιο ή πολλά σωματίδια η συλλογική δράση των οποίων δίνει την μάζα στα νετρίνα.

Μια μορφή αυτής της θεωρίας, αρκετά δημοφιλής, είναι ο μηχανισμός Seesaw, οποίος επιβεβαιώνει τις πολύ μικρές μάζες των νετρίνων.

Αν το σωματίδιο που δημιουργεί την μάζα των νετρίνων είναι πολύ βαρύ, η μεγάλη του μάζα είναι που κάνει τα νετρίνα να έχουν πολύ μικρή μάζα.

Τα πειράματα νετρίνων

Οι φυσικοί δοκιμάζουν αυτές τις θεωρίες με πειράματα. Η πρωτη και πιο σημαντική ερώτηση που πρέπει να απαντηθεί είναι, «αν τα νετρίνα Majorana είναι φερμιόνια;». Πειράματα όπως το GERDA (GERmanium Detector Array) στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso στην Ιταλία προσπαθούν να προσδιορίσουν αν τα νετρίνα ταυτίζονται με τα αντισωμτίδιά τους, αναζητώντας ένα φαινόμενο που ονομάζεται διπλή βήτα διάσπαση.

Σ’ αυτή την διαδικασία, ένα νετρόνιο στον πυρήνα ενός ισοτόπου, στην περίπτωση αυτή ένα ισότοπο γερμανίου, διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Αν δυο νετρόνια στον πυρήνα του ισοτόπου διασπαστούν ταυτόχρονα, τότε προκύπτει αυτό που ονομάζεται διπλή βήτα διάσπαση. Οι φυσικοί ψάχνουν μια διπλή βήτα διάσπαση όπου ο πυρήνας δεν εκπέμπει νετρίνα, αλλά φαίνεται να εκπέμπει μόνο δυο ηλεκτρόνια, αφού τα νετρίνα (τύπου Majorana) που εκπέμπονται εξαϋλώνονται. Κι αν η παρατήρηση της διπλής βήτα διάσπασης είναι εξαιρετικά σπάνια, τότε η χωρίς νετρίνα διπλή διάσπαση βήτα θα είναι πολύ σπανιότερη. Αλλά, οι φυσικοί περιμένουν να δοθεί πειραματική απάντηση στο πρόβλημα σε περίπου δέκα χρόνια.

Οι καρποί αυτής της έρευνας δεν τελειώνουν με τα νετρίνα. Αν κατανοήσουμε περισσότερο τα νετρίνα τότε θα μπορούμε να απαντήσουμε κι άλλες ανοιχτές ερωτήσεις στην σωματιδιακή φυσική. Ερωτήσεις όπως: Γιατί η ύλη στο σύμπαν κυριαρχεί συντριπτικά έναντι της αντιύλης; Γιατί η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται; Τι είναι η σκοτεινή ύλη;

Το βέβαιο είναι πως η συλλογή όσο το δυνατόν περισσότερων πειραματικών δεδομένων σχετικά με την μάζα των νετρίνων θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε περισσότερο την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων – ή που είναι το ίδιο, να κατανοήσουμε καλύτερα τον εαυτό μας και τον κόσμο που μας περιβάλλει.

https://physicsgg.me/2020/06/11/%cf%84%ce%b9-%cf%83%cf%85%ce%bc%ce%b2%ce%b1%ce%af%ce%bd%ce%b5%ce%b9-%ce%bc%ce%b5-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%ce%bc%ce%ac%ce%b6%ce%b1-%cf%84%cf%89%ce%bd-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%cf%89%ce%bd/

Μια χιονόμπαλα από νετρίνα.

Τρισεκατομμύρια νετρίνα διασχίζουν το πρόσωπό σας αυτή τη στιγμή που διαβάζετε αυτές τις γραμμές. Τα περισσότερα εκπέμπονται από τον ήλιο. Από αυτά τα νετρίνα, τα 100 δισεκατομμύρια ανά δευτερόλεπτο διασχίζουν μόνο το ένα μάτι σας.

Και γιατί δεν τα αισθανόμαστε καθόλου; Γιατί να νετρίνα αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Όχι μόνο διέρχονται από το σώμα μας χωρίς να σταματήσουν, αλλά διασχίζουν και ολόκληρη τη Γη, εκτός από ένα ελάχιστο ποσοστό που αλληλεπιδρά με αυτή. Γι αυτό οι φυσικοί που προσπαθούν να ανιχνεύσουν νετρίνα τοποθετούν τους ανιχνευτές τους βαθιά στο εσωτερικό της Γης, εκεί όπου δεν φτάνει η κοσμική ακτινοβολία και άλλες πηγές θορύβου, και μπορούν να καταγραφούν τα ελάχιστα νετρίνα που αφήνουν κάποιο σήμα στον ανιχνευτή-τηλεσκόπιο.

Πόσα νετρίνα χρειάζονται για να φτιάξουμε μια χιονόμπαλα από νετρίνα ή καλύτερα, πόσα νετρίνα ζυγίζουν όσο μια χιονόμπαλα;

Τα νετρίνα έχουν ελάχιστη μάζα και γι αυτό θα χρειαστούμε πάρα πολλά για να φτιάξουμε μια «χιονόμπαλα νετρίνων»: περίπου 300.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 ή καλύτερα 3∙1035 νετρίνα.

Κι αν καταφέρναμε να συγκεντρώσουμε στο χέρι μας μια χιονόμπαλα από 3∙1035 νετρίνα θα ξεγλιστρούσαν αμέσως μέσα από τα δάχτυλα και την παλάμη του χεριού μας και θα χανόντουσαν στη Γη

Τα αργά κινούμενα νετρίνα διέρχονται πολύ πιο εύκολα μέσα από την ύλη σε σχέση με τα ταχέως κινούμενα νετρίνα. Αυτά που ανιχνεύουν οι φυσικοί είναι νετρίνα υψηλής ενέργειας που κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Και το σύμπαν είναι γεμάτο από αργά κινούμενα νετρίνα.

Μαζί με τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια που απέμειναν από την Μεγάλη Έκρηξη και αποτελούν αυτό που σήμερα ονομάζουμε Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, δημιουργήθηκαν επίσης και τα νετρίνα υποβάθρου που κινούνται με ταχύτητες πολύ μικρότερες από αυτή του φωτός – οι αστρονόμοι μερικές φορές τα αναφέρουν ως στάσιμα, παρότι κινούνται με αρκετά εκατομμύρια χιλιόμετρα ανά ώρα.

Αν όμως η χιονόμπαλα των νετρίνων περιείχε ταχέως κινούμενα νετρίνα όπως τα ηλιακά, πολλά από αυτά θα αλληλεπιδρούσαν με το σώμα σας, πιθανότατα με ηλεκτρόνια ατόμων απομακρύνοντάς τα από αυτά. Μάλλον δεν θα το αισθανόσασταν, όμως η δόση της ακτινοβολίας μπορεί να ήταν θανατηφόρα.

Ίσως είναι καλύτερα που δεν υπάρχει εύκολος τρόπος για να φτιάξετε μια χιονόμπαλα από νετρίνα.

Έτσι, αν δεν έχετε έναν επιταχυντή σωματιδίων στην αυλή του σπιτιού σας για να δημιουργήσετε νετρίνα, τότε το μόνο που απομένει είναι να χιονίσει για να παρηγορηθείτε φτιάχνοντας κανονικές χιονόμπαλες.

https://physicsgg.me/2020/07/07/%ce%bc%ce%b9%ce%b1-%cf%87%ce%b9%ce%bf%ce%bd%cf%8c%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bb%ce%b1-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%b1/

Ο χορός των νετρίνων μας ανοίγει νέους ορίζοντες.

Είναι υπέροχο να βλέπεις νέα παιδιά να προσεγγίζουν βασικά σημεία δύσκολων εννοιών της Φυσικής και να τις μετατρέπουν μετά σε κίνηση, σε αυτοσχεδιασμό και χορογραφία. Το μήνυμα της επιστήμης πρέπει να φτάσει παντού, ειδικά σε εποχές που αναπτύσσονται ξανά ο ανορθολογισμός και οι οπισθοδρομικές απόψεις». Ο Κωνσταντίνος Νικολόπουλος, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, μας μιλάει για την προσπάθεια να φέρει κοντά στο κοινό τις έννοιες της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, μέσω της σύζευξης επιστήμης και τέχνης. «Ηταν ένα πολύ ενδιαφέρον πρόγραμμα, που άνοιξε καινούργιους δρόμους για τη διδασκαλία της Φυσικής και για την έμπνευση νέων ανθρώπων», λέει στην «Κ» ο διακεκριμένος Ελληνας επιστήμονας.

Για το έργο του αυτό, ο κ. Νικολόπουλος κέρδισε πρόσφατα ακόμα μία διάκριση. Ηταν ένας από τους τρεις επιστήμονες από όλη την Ευρώπη που τιμήθηκαν με το βραβείο του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Ερευνας για τη Σύνδεση της Ερευνας με το Κοινό, ένα βραβείο που δόθηκε πρώτη φορά φέτος και θα απονέμεται κάθε δύο χρόνια.

Ο Κωνσταντίνος Νικολόπουλος ανήκε στους επιστήμονες που είχαν σημαντική συμμετοχή στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, καθώς συντόνιζε μία από τις ερευνητικές ομάδες του πειράματος ATLAS στο CERN, που οδήγησε στη βράβευση των F. Englert και P. Higgs με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 2013. Σήμερα, παράλληλα με τα καθήκοντα διδασκαλίας στο πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, «τρέχει» ένα σημαντικό ερευνητικό πρόγραμμα του ERC (ExclusiveHiggs) για την πειραματική διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης με το μποζόνιο Higgs στο CERN. Ταυτόχρονα, ο 37χρονος Ελληνας ερευνητής πειραματίστηκε για το πώς μπορεί αυτή η «βαριά» επιστημονική γνώση να διαδοθεί σε ένα ευρύτερο κοινό και ειδικά στις νέες ηλικίες.

Το ξεκίνημα

«Ηταν μια πολύ συνεργατική προσπάθεια, που ξεκινήσαμε με τη χορογράφο Μαίρη Παρδαλάκη από το 2015-16 και τον εικαστικό Ιαν Αντριους. Και οι δύο καλλιτέχνες δεν γνώριζαν τις έννοιες, ούτε ασχολούνταν ιδιαίτερα με την επιστήμη. Παρ’ όλα αυτά μέσα από τις συζητήσεις μας και τον δικό τους ιδιαίτερο τρόπο έγιναν “πρεσβευτές της επιστήμης”», λέει ο κ. Νικολόπουλος. Ο Ιαν Αντριους έκανε μια σχετική έκθεση εικαστικών στη Βιβλιοθήκη του Μπέρμιγχαμ, ενώ επισκέφτηκαν μαζί με τον κ. Νικολόπουλο σχολεία και έκαναν με μαθητές 14-16 ετών εργαστήρια ζωγραφικής, γλυπτικής και γενικότερα εικαστικών τεχνών, εμπνευσμένων από τη Φυσική στοιχειωδών σωματιδίων.

«Με τη Μαίρη διοργανώσαμε εργαστήρια χορού σε σχολεία, σε παιδιά μικρότερης ηλικίας από 12-13 ετών. Αφού κάναμε μια βασική παρουσίαση των εννοιών, μοιράσαμε κάρτες με το όνομα ενός σωματιδίου και το κάθε παιδί έπρεπε να κάνει κινήσεις, αυτοσχεδιασμούς χορογραφίας, ανάλογα με τις βασικές ιδιότητες του σωματιδίου που έγραφε η κάρτα του. Αν είναι βαρύ ή ελαφρύ, “κοινωνικό” ή “ντροπαλό”, ανάλογα. Τα παιδιά είχαν την ευθύνη για τη χορογραφία, καθώς και την επιλογή της μουσικής. Είχε πολύ εντυπωσιακά αποτελέσματα, καθώς μετά θυμόντουσαν τα ονόματα των σωματιδίων, κάποιες ιδιότητες κ.λπ. Τα παιδιά ήταν ενθουσιασμένα, πήγαιναν στη διευθύντρια του σχολείου και έλεγαν “πόσο πολλά μάθαμε, τι προχωρημένη Φυσική ξέρουμε”. Δεν έμαθαν βεβαίως τα πάντα για τα σωματίδια, αλλά πήραν ερεθίσματα, έμαθαν να μη φοβούνται την επιστήμη», αφηγείται χωρίς να παύσει να χαμογελά σκεπτόμενος όσα έγιναν ο κ. Νικολόπουλος.

Τα εργαστήρια έγιναν σε σχολεία στο Μπέρμιγχαμ και σε ελληνικά σχολεία στο Παρίσι. Νωρίτερα είχε παρουσιαστεί η χορευτική παράσταση «The Neutrino Passoire» (το πέρασμα των νετρίνων από το σουρωτήρι, σε ελεύθερη μετάφραση) σε φεστιβάλ στην Αγγλία και στη Γαλλία.

Ρωτάμε τι τον ώθησε σε αυτή τη δράση. «Κατ’ αρχάς, θέλω η επιστήμη να επικοινωνήσει με τον κόσμο, να γίνει κτήμα περισσότερων ανθρώπων. Εξάλλου, τα βήματα που επιτυγχάνονται στην έρευνα είναι αποτέλεσμα προσπάθειας όλης της κοινωνίας. Εμείς, για παράδειγμα, αισθανθήκαμε μεγάλη χαρά και προσωπική ικανοποίηση με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, αλλά δεν ξεχνάμε πως όλο αυτό είναι κομμάτι της επιστημονικής και κοινωνικής κληρονομιάς της ανθρωπότητας. Η έρευνά μας χρηματοδοτείται από δημόσια κονδύλια και πρέπει τα αποτελέσματά της να αποδοθούν στην κοινωνία. Ετσι μπορούμε να εξηγήσουμε και γιατί πρέπει να ενισχυθεί.

»Ενας δεύτερος λόγος είναι γιατί θεωρώ πως πρέπει ο λόγος της επιστήμης να φτάσει στην κοινωνία και ειδικά στα νέα παιδιά. Σήμερα αναβιώνουν διάφορες ιδεοληψίες και απόψεις οπισθοδρομικές. Οπαδοί της επίπεδης γης, αντιεμβολιαστικό “κίνημα” και άλλα πολλά. Η επιστήμη δίνει μια άλλη διέξοδο.

»Τρίτο, με δράσεις όπως αυτή, ενθαρρύνουμε τα παιδιά να ακολουθήσουν, εάν αυτό τους εμπνέει, τον δρόμο της επιστημονικής έρευνας. Να δουν πως είναι κάτι πολύ συναρπαστικό και πως οι επιστήμονες δεν διαφέρουν από τους άλλους ανθρώπους. Απλά προσπαθούν πολύ για κάτι που τους ενδιαφέρει. Και έτσι προχωράς...».

Το μποζόνιο Higgs και τα καλλιτεχνικά

«Κάθε παιδί έπρεπε να κάνει κινήσεις, αυτοσχεδιασμούς χορογραφίας, ανάλογα με τις βασικές ιδιότητες του σωματιδίου που έγραφε η κάρτα του».

Η όλη διαδικασία ήταν πολύ διδακτική, σύμφωνα με τον Ελληνα φυσικό. «Θέλαμε να σπάσουμε το στερεότυπο πως η διδασκαλία της επιστήμης και ειδικά της Φυσικής είναι στον πίνακα, με ατέλειωτους τύπους και εξισώσεις. Βεβαίως είναι και αυτά πολύ σημαντικά, αλλά είδαμε νέους τρόπους για να αναπτύξουμε τη συνεργασία των καθηγητών Φυσικής και Καλλιτεχνικών», μας λέει. «Είναι σημαντικό πως σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες υπάρχει το μάθημα των Καλλιτεχνικών μέχρι τις μεγάλες τάξεις. Ετσι όλο αυτό που αναπτύξαμε θα μπορούσε να είναι μια δημιουργική εργασία στο πλαίσιό του».

Ο Κωνσταντίνος Νικολόπουλος δεν έμεινε κι ο ίδιος ανεπηρέαστος από το πρόγραμμα. Μπορεί να μην είναι σίγουρος για το πώς ακριβώς χορεύει το μποζόνιο, αλλά όπως μας λέει «διεύρυνε τους ορίζοντές μου κι ενίσχυσε την πιο δημιουργική ματιά στην ερευνητική μου δραστηριότητα. Επίσης με βοήθησε στον τρόπο που διδάσκω. Στόχος είναι να εκλαϊκεύσουμε, να πούμε κάποια πράγματα απλά, αλλά όχι απλοϊκά. Κι αυτό δεν είναι καθόλου εύκολο. Δεν ήταν λίγες οι φορές που έλεγα στους καλλιτέχνες, όχι αυτό δεν μπορούμε να το δείξουμε έτσι, ακόμα κι αν βόλευε, καθώς δεν είναι σωστό», μας λέει.

Δεν θα χάναμε την ευκαιρία να τον ρωτήσουμε για την επόμενη μέρα της βασικής ερευνητικής του δραστηριότητας. «Ανακαλύψαμε το μποζόνιο Higgs, αλλά έχουμε πολλά ακόμα να καταλάβουμε. Για παράδειγμα, ανταποκρίνονται οι ιδιότητες με βάση όσα θα περιμέναμε σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο; Μέχρι τώρα ναι, αλλά συνεχίζουμε την έρευνα. Υπάρχουν πολλά ερωτήματα. Για παράδειγμα στο Καθιερωμένο Πρότυπο δεν εξηγείται γιατί υπάρχει τόσο μεγάλη διαφορά μάζας μεταξύ των σωματιδίων της ύλης. Επίσης, το μποζόνιο Higgs είναι μοναδικό στις ιδιότητες του, υπάρχουν και άλλα σωματίδια σαν αυτό; Το Κ.Π. λέει πως είναι μόνο ένα, το μποζόνιο, είναι όμως έτσι;». Το ερευνητικό ενδιαφέρον του κ. Νικολόπουλου δεν περιστρέφεται μόνο στο πολύ μικρό, αλλά και στο πολύ μεγάλο, στο επίπεδο της απέραντης σκοτεινής ύλης του Διαστήματος. «Εχουμε εδώ και περίπου 50 χρόνια το Καθιερωμένο Πρότυπο που είναι πολύ καλό, αλλά εξηγεί μόνο το 5% περίπου της μάζας και ενέργειας του σύμπαντος. Τι γίνεται με το υπόλοιπο;», μας λέει.

Υπάρχει λοιπόν ερευνητικό πεδίον δόξης λαμπρόν για τους/τις φυσικούς του μέλλοντος, που ίσως εμπνεύστηκαν από τα εργαστήρια του κ. Νικολόπουλου και των συνεργατών του.

https://www.kathimerini.gr/1089447/article/proswpa/synentey3eis/o-xoros-twn-netrinwn-mas-anoigei-neoys-orizontes

Μειώνονται οι πιθανότητες ύπαρξης του στείρου (sterile) νετρίνο.

Οι φυσικοί γνωρίζουν αρκετά πράγματα για τα νετρίνα. Είναι στοιχειώδη σωματίδια που «κυκλοφορούν» παντού, αλλά σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη. Εμφανίζονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους (ή γεύσεις) – νετρίνο του ηλεκτρονίου, νετρίνο του μιονίου και νετρίνο του σωματιδίου ταυ. Και μπορούν να ταλαντώνονται μεταξύ αυτών των γεύσεων, μεταπίπτοντας από τον έναν τύπο νετρίνου σε άλλον καθώς ταξιδεύουν.

Όμως υπάρχουν μερικά αναπάντητα (μέχρι στιγμής) ερωτήματα σχετικά με τα νετρίνα. Όπως για παράδειγμα η ακριβής τιμή της μάζας τους, η οποία είναι μεν πολύ μικρή, αλλά διάφορη του μηδενός. Τα πειράματα σχετικά με τις ταλαντώσεις τους δίνουν πληροφορίες για την διαφορά των τετραγώνων των μαζών των νετρίνων, ενώ οι κοσμολογικές εκτιμήσεις δίνουν εκτίμηση του αθροίσματος των μαζών και των τριών νετρίνων.

Επιπλέον, τα πειράματα δείχνουν την ύπαρξη ενός αινιγματικού τέταρτου νετρίνου, αυτό που ονομάζεται στείρο νετρίνο. Αλλά τα δεδομένα δεν είναι ξεκάθαρα και τα σήματα από αυτό το σωματίδιο είναι αμφιλεγόμενα. Οι φυσικοί των πειραμάτων MINOS, MINOS+πειράματα στο Fermilab στις ΗΠΑ και του Daya Bay Reactor Neutrino Experiment στην Κίνα, δημοσίευσαν μια ανάλυση μέρους των δεδομένων τους που δεν βλέπει την ύπαρξη στείρων νετρίνων. Όμως δεν έχουν μελετήσει ακόμα όλα τα δεδομένα τους, ενώ άλλα πειράματα βλέπουν πιθανά σήματα, αφήνοντας την «πόρτα μισάνοιχτη» όσον αφορά την ύπαρξη του στείρου νετρίνου.

Η ταλάντωση των νετρίνων μεταξύ των γεύσεων είναι ένα κβαντικό φαινόμενο. Προέρχεται από το γεγονός ότι κάθε γεύση νετρίνων, νe (ηλεκτρονίου), νμ (μιονίου) και ντ (ταυ), είναι μια γραμμική υπέρθεση τριών καταστάσεων, ν1, ν2 και ν3 με μάζες m1, m2 και m3 (διαβάστε σχετικά: Βραβείο Νόμπελ 2015 – «Η αποκάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων»).

https://physicsgg.me/2015/10/09/%CE%B7-%CE%B1%CF%80%CE%BF%CE%BA%CE%AC%CE%BB%CF%85%CF%88%CE%B7-%CF%84%CF%89%CE%BD-%CF%84%CE%B1%CE%BB%CE%B1%CE%BD%CF%84%CF%8E%CF%83%CE%B5%CF%89%CE%BD-%CF%84%CF%89%CE%BD-%CE%BD%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%AF/

Μετρήσεις ακρίβειας δείχνουν ότι η απόσταση που χρειάζεται ένα νετρίνο για να μετατραπεί σε άλλο – η γραμμή ταλάντωσης των νετρίνων – εξαρτάται από τις ενέργειες των συμμετεχόντων καταστάσεων και τη διαφορά τετραγώνων των μαζών τους. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο του μιονίου ενός γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ (GeV) από την δέσμη νετρίνων στο Fermilab συνήθως διανύει 500 χιλιόμετρα για να ταλαντωθεί σε ένα νετρίνο του ταυ. Αντίθετα, ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου τριών μεγα-ηλεκτρονιοβόλτ (MeV) από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, διανύει μόνο 1 χιλιόμετρο για να αλλάξει γεύση. Και οι δύο ταλαντώσεις είναι συνεπείς με την εξίσωση: \Delta m^{2}_{31} = m^{2}_{3}-m^{2}_{1} = 2.5 \times 10^{-3} eV^{2}.

Ωστόσο, ορισμένα πειράματα διαπίστωσαν μια σειρά από προβληματικά αποτελέσματα που δεν ταιριάζουν στο πλαίσιο των τριών νετρίνων. Τα παλαιότερα αποτελέσματα τέτοιου είδους προέρχονται από το πείραμα Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, όπου το 2001 προέκυψαν δεδομένα σύμφωνα με τα οποία αντινετρίνα μιονίων μετατρέπονται σε αντινετρίνα ηλεκτρονίων σε μικρότερες αποστάσεις από τις αναμενόμενες για ταλαντώσεις νετρίνων τριών γεύσεων. Αργότερα, το πείραμα Mini Booster Neutrino (MiniBooNE), το οποίο πραγματοποιήθηκε για να ελέγξει την ανωμαλία του πειράατος LSND, παρατήρησε ένα παρόμοιο σήμα.

Μια εξήγηση για αυτές τις σύντομες ταλαντώσεις είναι ότι υπάρχει ένα τέταρτο «στείρο» νετρίνο, νs, το οποίο δεν αλληλεπιδρά σύμφωνα με τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Τα δεδομένα LSND και MiniBooNE υποδηλώνουν ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα έχει ταλαντώσεις με διαφορά μάζας Δm241 = 1eV2. Κι άλλα πειράματα με νετρίνα από πυρηνικούς αντιδραστήρες συμφωνούν με την διαφορά μάζας 1 eV2 ή και περισσότερο.

Η νέα ανάλυση από τα πειράματα MINOS, MINOS + και Daya Bay, η οποία περιλαμβάνει παλιά δεδομένα από το πείραμα Bugey-3, που ολοκληρώθηκε το 1996 – έψαξε προς αυτή την κατεύθυνση αλλά δεν βρήκε καμία ένδειξη στείρων νετρίνων, σε αντίθεση με τα προαναφερθέντα πειράματα.

Τα πειράματα MINOS και MINOS+ είναι πειράματα μεγάλων διαδρομών, όπου τα νετρίνα ταξιδεύουν εκατοντάδες χιλιόμετρα πριν ανιχνευθούν. Τα δύο πειράματα μελετούν την εξαφάνιση νετρίνων του μιονίου που παράγονται στο Fermilab χρησιμοποιώντας ανιχνευτές τοποθετημένους σε αποστάσεις 1,04 km και 735 km από το εργαστήριο. Το Daya Bay είναι ένα πείραμα μεσαίας διαδρομής. Τα αντινετρίνα του ηλεκτρονίου παράγονται σε έξι πυρηνικούς αντιδραστήρες και ανιχνεύονται από οκτώ ανιχνευτές αντινετρίνων που βρίσκονται σε τρεις διαφορετικές υπόγειες αίθουσες, σε αποστάσεις που κυμαίνονται από 365 m έως 1,9 km από τον αντιδραστήρα. Το Bugey-3 ήταν ένα πείραμα μικρής γραμμής διαδρομής που ανίχνευσε ταλαντώσεις νετρονίων του μιονίου σε αποστάσεις 15, 40 και 95 m από τον πυρήνα του αντιδραστήρα, όπου παράγονταν τα νετρίνα.

Οι εν λόγω πειραματικές ομάδες σε συνεργασία μεταξύ τους έθεσαν νέους περιορισμούς στην πιθανότητα το νετρίνο του μιονίου να μεταπίπτει σε ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου διαμέσου ενός στείρου νετρίνου σε αυτές τις αποστάσεις. Εξαλείφουν το στείρο νετρίνο στις περιοχές διαφοράς μαζών μεταξύ 10−4 και 103 eV2.Αυτοί οι νέοι περιορισμοί επιτείνουν την διαφωνία σχετικά με την ύπαρξη του στείρου νετρίνο. Αυτή η διαφωνία οφείλεται στο ότι αποκλείουν τις τιμές διαφοράς μάζας για τα σήματα στείρων νετρίνων που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τόσο τα πρώτα πειράματα LSND, όσο και το πείραμα MiniBooNE, αλλά και νέα μη δημοσιευμένα πειράματα του MiniBooNE που αναλύουν ένα σύνολο δεδομένων 17 ετών. Υπάρουν κι άλλα μη δημοσιευμένα αποτελέσματα, αυτή τη φορά από το πείραμα IceCube, όπου αναλύονται οκτώ χρόνια ατμοσφαιρικών δεδομένων νετρίνων του μιονίου και αμφισβητούν επίσης την ύπαρξη του στείρου νετρίνου. Και η απουσία του στείρου νετρίνου συμφωνεί με τα δεδομένα από του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck που μετρούν την πυκνότητα ενέργειας του αρχέγονου Σύμπαντος.

Αυτές οι διαφωνίες σημαίνουν ότι χρειάζονται επιπλέον δεδομένα για την επίλυση του προβλήματος σχετικά με το στείρο νετρίνο, ιδίως από το Short Baseline Neutrino Program στο Fermilab. Επιπλέον το πείραμα MINOS+συνεργασία στο Fermilab πρέπει να αναλύσει τα δεδομένα πειραμάτων των τελευταίων ετών, ενώ το πείραμα Daya Bay έχει δύο επιπλέον χρόνια λήψης δεδομένων που πρέπει να αναλυθούν.

Όταν ολοκληρωθούν τα παραπάνω τότε ίσως οι φυσικοί να καταλήξουν σε μια τελική πειραματική ετυμηγορία υπέρ ή κατά της ύπαρξης στείρων νετρίνων.

https://physicsgg.me/2020/08/11/%ce%bc%ce%b5%ce%b9%cf%8e%ce%bd%ce%bf%ce%bd%cf%84%ce%b1%ce%b9-%ce%bf%ce%b9-%cf%80%ce%b9%ce%b8%ce%b1%ce%bd%cf%8c%cf%84%ce%b7%cf%84%ce%b5%cf%82-%cf%8d%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%be%ce%b7%cf%82-%cf%84%ce%bf/

Δεν υπάρχει «στείρο» (sterile) νετρίνο… στα δεδομένα του ανιχνευτή IceCube

Η ανάλυση περισσότερων από 300.000 ανιχνεύσεεων νετρίνων του μιονίου, δεν επιβεβαιώνει την ύπαρξη των «στείρων» νετρίνων – ένα αποτέλεσμα που έρχεται σε αντίθεση με άλλα πειράματα.

Πειράματα που μελετούν τις ταλαντώσεις των νετρίνων είχαν υποδείξει την ύπαρξη ενός «στείρου» νετρίνου που δεν αλληλεπιδρά διαμέσου της ασθενούς πυρηνικής δύναμης – σε αντίθεση με τα τρία γνωστά είδη νετρίνων. Όμως, μια έρευνα του 2016 από τον ανιχνευτή νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική απέτυχε να αναπαραγάγει αυτές τις παρατηρήσεις Στη συνέχεια, οι ερευνητές του ανιχνευτή IceCube αναζήτησαν ενδείξεις αυτού του ασύλληπτου σωματιδίου μέσα σε ένα σύνολο δεδομένων, 15 φορές μεγαλύτερο από αυτό που αναλύθηκε στη μελέτη του 2016.

Και το αποτέλεσμα είναι ίδιο με την μελέτη του 2016. Η απουσία στοιχείων για στείρα νετρίνα επιδεινώνει περαιτέρω την διαφωνία με τα άλλα πειράματα.

Το IceCube ανιχνεύει νετρίνα που δημιουργούνται συνήθως από συγκρούσεις μεταξύ κοσμικών ακτίνων και της γήινης ατμόσφαιρας. Εκτός από την μέτρηση των ενεργειών των νετρίνων, το πείραμα μπορεί να καθορίσει τις τροχιές τους, οι οποίες λένε στους ερευνητές, την απόσταση που διάνυσαν μέσα στη Γη τα σωματίδια, πριν φτάσουν στους ανιχνευτές. Αυτοί οι δύο παράγοντες καθορίζουν τον αριθμό των νετρίνων του μιονίου που πρέπει να ανιχνεύσει το IceCube.

Αλλά σύμφωνα με την θεωρία η παρουσία των στείρων νετρίνων θα είχε ως αποτέλεσμα τα περισσότερα από τα νετρίνα του μιονίου να ταλαντώνονται προς άλλες γεύσεις νετρίνων, «παραποιώντας» έτσι τους αναμενόμενους αριθμούς. Συνεπώς, εάν οι ανιχνευτές παρατηρήσουν λιγότερα νετρίνα του μιονίου από αυτά που είχαν προβλεφθεί, αυτό θα μπορούσε να αποτελεί απόδειξη ότι υπάρχουν στείρα νετρίνα.

Αφού αναλύθηκαν περισσότερες από 300.000 ανιχνεύσεις νετρίνων του μιονίου που καταγράφηκαν επί οκτώ χρόνια λειτουργίας του ανιχνευτή, οι ερευνητές δεν βρήκαν καμία σημαντική απόκλιση στον αριθμό των γεγονότων των νετρίνων του μιονίου σε σχέση με τις θεωρητικές προβλέψεις. Επομένως, δεν υπάρχουν ενδείξεις για την ύπαρξη του στείρου νετρίνου.

Αυτή η συνεχιζόμενη απουσία αποδείξεων διευρύνει τη διαφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων του IceCube και εκείνων από τα πειράματα Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) και MiniBooNE, αφού και τα δύο έχουν αναφέρει ενδείξεις στείρων νετρίνων.

Για τους φυσικούς του ανιχνευτή IceCube, τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν την επέκταση της ανάλυσής τους σε ανιχνεύσεις νετρίνων του ηλεκτρονίου και νετρίνων του ταυ, μια περίσσεια των οποίων μπορεί επίσης να υποδεικνύει την ύπαρξη των στείρων νετρίνων.

https://physicsgg.me/2020/10/02/%ce%b4%ce%b5%ce%bd-%cf%85%cf%80%ce%ac%cf%81%cf%87%ce%b5%ce%b9-%cf%83%cf%84%ce%b5%ce%af%cf%81%ce%bf-sterile-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%bf/

Νετρίνα και τηλεσκόπια νετρίνων.

Είναι άραγε δυνατό να «δούμε» το Σύμπαν με «άλλα μάτια» και να συλλέξουμε πληροφορίες που δεν μεταδίδονται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, της κοσμικής ακτινοβολίας και των βαρυτικών κυμάτων;

Τα περισσότερα από τα δεδομένα και τις πληροφορίες που έχουμε συλλέξει έως τώρα για το Σύμπαν και τα ουράνια σώματα που εμπεριέχει, προέρχονται από την ανίχνευση και ανάλυση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν. Ωστόσο, σημαντικές επιπλέον πληροφορίες συλλέγουμε και με την βοήθεια της κοσμικής ακτινοβολίας, δηλαδή φορτισμένων σωματιδίων (κυρίως πρωτονίων) τα οποία προέρχονται τόσο από τον Ήλιο, όσο και από ορισμένα από τα βιαιότερα φαινόμενα που μπορούν να εκδηλωθούν στο Σύμπαν. Ακριβώς, όμως, επειδή τα σωματίδια αυτά φέρουν φορτίο, ο προσδιορισμός της προέλευσής τους είναι αρκετά δύσκολος, καθώς η αρχική τους πορεία μεταβάλλεται διαρκώς από τα μαγνητικά πεδία του μεσοαστρικού Διαστήματος.

Ένα άλλο «παράθυρο» στο Σύμπαν άνοιξε με την πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από τους ανιχνευτές LIGO, που ανακοινώθηκε τον Φεβρουάριο του 2016. Πραγματικά, η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων δεν είναι μόνο ένα νέο και εκπληκτικό «εργαλείο» για την μελέτη των μαύρων οπών, των αστέρων νετρονίων και των άλλων βίαιων φαινομένων του Σύμπαντος, αλλά με την βοήθειά τους ανοίγει ένα καινούργιο «κεφάλαιο» στην μελέτη του «βρεφικού» Σύμπαντος, που από τη φύση του είναι αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Τίθεται λοιπόν το ερώτημα: είναι άραγε δυνατό να «δούμε» το Σύμπαν με «άλλα μάτια» και να συλλέξουμε πληροφορίες που δεν μεταδίδονται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, της κοσμικής ακτινοβολίας και των βαρυτικών κυμάτων; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό είναι καταφατική και την δυνατότητα αυτή μας την προσφέρουν τα νετρίνα.

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τα νετρίνα σχηματίστηκαν σε τεράστιες ποσότητες στα πρώτα στάδια εξέλιξης του «βρεφικού» Σύμπαντος, ενώ παράγονται διαρκώς μέσα από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων και εκλύονται στο Διάστημα κατά την διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα. Η ιδιότητά τους, μάλιστα, να μην αλληλεπιδρούν παρά μόνο φευγαλέα με την υπόλοιπη ύλη τα καθιστά ιδανικά εάν θέλουμε να ανοίξουμε ένα ακόμη παράθυρο μελέτης στο Σύμπαν.

Η ύπαρξη των νετρίνων προβλέφθηκε θεωρητικά το 1930 από τον σπουδαίο θεωρητικό φυσικό Wolfgang Pauli, σε μια εποχή όπου οι επιστήμονες μελετούσαν μεταξύ άλλων και τη ραδιενεργό διάσπαση β, για παράδειγμα τη μετατροπή ενός πρωτονίου του ατομικού πυρήνα σε νετρόνιο, με την παράλληλη εκπομπή ενός ποζιτρονίου (το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου). Το περίεργο στοιχείο αυτής της διάσπασης ήταν ότι παραβίαζε, όπως νόμιζαν τότε οι φυσικοί, την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας, καθώς τα πειράματά τους έδειχναν ότι η ολική ενέργεια πριν τη διάσπαση ήταν μεγαλύτερη από την ολική ενέργεια μετά τη διάσπαση. Ο Pauli θεώρησε ότι αυτή η «χαμένη» ενέργεια μεταφέρεται από ένα ουδέτερο σωματίδιο το οποίο ήταν αδύνατο να ανιχνευθεί με την τεχνολογία της εποχής του. Το υποθετικό αυτό σωματίδιο ονομάστηκε νετρίνο και η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε το 1956 χάρη στα πειράματα των Clyde Cowan και Fredrick Reines.

Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι γνώσεις μας γι’ αυτό το φευγαλέο σωματίδιο-φάντασμα διευρύνθηκαν. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε σήμερα ότι τα νετρίνα συγκαταλέγονται ανάμεσα στα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης, ενώ εμφανίζονται σε τρία είδη ή «γεύσεις», καθεμιά απ’ τις οποίες σχετίζεται με ένα φορτισμένο θεμελιώδες σωματίδιο, από το οποίο δανείζεται και το όνομά του. Έτσι, το νετρίνο του ηλεκτρονίου σχετίζεται με το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο του μιονίου με το μιόνιο και το νετρίνο ταυ με το σωματίδιο ταυ.

Για αρκετό καιρό, οι φυσικοί θεωρούσαν ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα και ότι για τον λόγο αυτό ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, όπως δηλαδή και τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ήδη όμως από τα μέσα της δεκαετίας του ‘60 αντιμετώπιζαν ένα παράδοξο, καθώς ο αριθμός των ηλιακών νετρίνων που ανίχνευαν με τα επιστημονικά τους όργανα αντιστοιχούσε μόλις στο ένα τρίτο εκείνου που προέβλεπε η θεωρία. Το παράδοξο αυτό επιλύθηκε με την διαπίστωση ότι τα νετρίνα έχουν την ιδιότητα να αλλάζουν «γεύση», μεταπηδώντας από το ένα είδος στο άλλο, κάτι που επιβεβαιώθηκε οριστικά χάρη στις πειραματικές μελέτες των Takaaki Kajita και Arthur McDonald, οι οποίοι τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2015.

Σύμφωνα, λοιπόν, με το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων, κάποια νετρίνα που ξεκίνησαν τη διαδρομή τους από τον Ήλιο ως νετρίνα ηλεκτρονίου φτάνουν στη Γη ως νετρίνα μιονίου ή νετρίνα ταυ. Αυτό όμως μπορεί να συμβεί μόνο εάν τα νετρίνα έχουν μάζα. Απ’ ό,τι φαίνεται, πάντως, ο πρώτος που διερεύνησε θεωρητικά την πιθανότητα τα νετρίνα να «μεταπηδούν» από το ένα είδος στο άλλο και κατά συνέπεια να έχουν μη μηδενική μάζα ήταν ο φυσικός Bruno Pontercovo, ήδη από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Γνωρίζουμε σήμερα λοιπόν, ότι τα νετρίνα έχουν απειροελάχιστη μάζα και ως εκ τούτου δεν «αισθάνονται» μόνο την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση, αλλά και την βαρύτητα.

Εξαιρουμένων των σωματιδίων που απαρτίζουν την σκοτεινή ύλη, τα νετρίνα είναι τα δεύτερα σε αφθονία σωματίδια στο Σύμπαν και μόνο τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι περισσότερα. Έχοντας, όμως, μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και απειροελάχιστη μάζα, ελάχιστα από αυτά αλληλεπιδρούν με την υπόλοιπη ύλη, γι’ αυτό και η ανίχνευσή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε ότι δεκάδες δισ. νετρίνα διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο το σώμα μας, προτού διασχίσουν τον ίδιο τον πλανήτη μας και συνεχίσουν το διαστημικό τους ταξίδι ανεπηρέαστα.

Γι’ αυτόν τον λόγο και οι πειραματικές διατάξεις που τα ανιχνεύουν αναγκαστικά καταλαμβάνουν πολύ μεγάλο όγκο, προκειμένου να τα εντοπίσουν. Το δεύτερο πρόβλημα που καθιστά δύσκολη την ανίχνευση των νετρίνων οφείλεται στην αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με τα σωματίδια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, μέσω της οποίας απελευθερώνονται πολλά άλλα σωματίδια, που «τυφλώνουν» τους ανιχνευτές νετρίνων. Γι’ αυτό και κατά κανόνα οι ανιχνευτές νετρίνων κατασκευάζονται είτε βαθιά στο υπέδαφος, μέσα σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία, ώστε τα πετρώματα που τους περιβάλλουν να λειτουργούν ως ασπίδα, «φιλτράροντας» τα σωματίδια αυτά, είτε πιο πρόσφατα κάτω από τους πάγους της Ανταρκτικής και στα βάθη των θαλασσών. Η εγκατάσταση των γιγάντιων αυτών τηλεσκοπίων σε τόσο μεγάλα βάθη αποτελεί μια τεράστια επιστημονική και τεχνολογική πρόκληση, γι’ αυτό και μέχρι πρόσφατα το ενδιαφέρον στρεφόταν κυρίως στην ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνογνωσίας με την κατασκευή και την πόντιση πολύ μικρότερων, πειραματικών τηλεσκοπίων νετρίνων. Τελικός στόχος των περισσότερων από τις προσπάθειες αυτές είναι η κατασκευή ενός υποβρύχιου τηλεσκοπίου νετρίνων με όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου, το οποίο θα κατασκευαστεί στη Μεσόγειο, γνωστό ως KM3NeT.

Η αρχή λειτουργίας των τηλεσκοπίων νετρίνων βασίζεται στην ανίχνευση της ακτινοβολίας Cherenkov. Όταν, δηλαδή, κάποιο νετρίνο αλληλεπιδράσει με έναν ατομικό πυρήνα, παράγονται φορτισμένα σωματίδια, τα οποία, καθώς κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός μέσα στο νερό, εκλύουν την χαρακτηριστική μπλε λάμψη της ακτινοβολίας Cherenkov.

Μέχρι στιγμής, το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο νετρίνων είναι το IceCube, που βρίσκεται εγκατεστημένο κοντά στον Νότιο Πόλο, καλύπτοντας όγκο 1 km3. Πρόσφατα, ωστόσο, αστροφυσικοί από την Γερμανία και την Βόρειο Αμερική δημοσίευσαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy σχέδια για την κατασκευή του Πειράματος Νετρίνων του Ειρηνικού Ωκεανού (P-ONE), δηλαδή του μεγαλύτερου τηλεσκοπίου νετρίνων, το οποίο θα εγκατασταθεί σε βάθος 2,6 km, περίπου 200 km από τις ακτές του δυτικού Καναδά. Το τηλεσκόπιο αυτό θα έχει τριπλάσιο όγκο από αυτόν του IceCube και θα ανιχνεύει υψηλής ενέργειας νετρίνα, τα οποία παράγονται στην διάρκεια ορισμένων από τα βιαιότερα φαινόμενα του Σύμπαντος. Οι επιστήμονες που εργάζονται στο P-ONE ευελπιστούν ότι η εγκατάσταση αυτού του ανιχνευτή νετρίνων θα έχει ολοκληρωθεί στο τέλος περίπου της δεκαετίας.

https://physicsgg.me/2020/10/16/%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%b1-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%b7%ce%bb%ce%b5%cf%83%ce%ba%cf%8c%cf%80%ce%b9%ce%b1-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%cf%89%ce%bd/

Γιατί οι γεωφυσικοί ενδιαφέρονται για τα νετρίνα;

Τα νετρίνα παίζουν σπουδαίο ρόλο στην σωματιδιακή φυσική. Το γεγονός ότι διαθέτουν μικρή μεν, αλλά όχι αμελητέα μάζα, αποτελεί την μοναδική αναμφισβήτητη ανακάλυψη που δείχνει ότι υπάρχει άγνωστη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων (σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα).

Επιπλέον, τα νετρίνα είναι σημαντικά και στην Κοσμολογία. Η μελέτη τους μας βοηθά να κατανοήσουμε την κυριαρχία της ύλης αντί της αντιύλης στο σύμπαν, αλλά και την δημιουργία των κοσμικών δομών μεγάλης κλίμακας. Μάλιστα, ένα από τα καλύτερα όρια για την μάζα των νετρίνων προκύπτει από την κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν και από τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, το υπόλειμμα ακτινοβολίας από την Μεγάλη Έκρηξη. Μαζί με αυτά τα αρχέγονα φωτόνια που γεμίζουν το σημερινό σύμπαν, κυκλοφορούν γύρω μας και αρχέγονα νετρίνα – αυτά που περίσσεψαν από την θερμή σούπα των σωματιδίων της Μεγάλης Έκρηξης. Η σημερινή τους πυκνότητα είναι περίπου 150 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό(!), αλλά η ενέργειά τους είναι πλέον εξαιρετικά μικρή και γι αυτό δεν τα έχουμε ανιχνεύσει ακόμα.

Από την πλευρά των αστροφυσικών τα νετρίνα είναι σημαντικά γιατί τα χαρακτηριστικά τους καθορίζουν τους κύκλους της ζωής των άστρων και την παραγωγή των βαρέων στοιχείων διαμέσου των θεαματικών εκρήξεων των σουπερνόβα.

Εννοείται πως τα νετρίνα βασανίζουν και τους πυρηνικούς φυσικούς που ασχολούνται με τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας και τις πυρηνικές βόμβες, που παράγουν τεράστιο αριθμό νετρίνων.

Όμως, οι γεωφυσικοί γιατί να ενδιαφέρονται για τα νετρίνα;

Η Γη εκπέμπει νετρίνα

Οι γεωφυσικοί ελπίζουν πως διαμέσου των νετρίνων θα απαντήσουν ένα ερώτημα που τους απασχολεί εδώ και πολλά χρόνια. Το ερώτημα αυτό αφορά την πηγή της εσωτερικής θερμότητας της Γης, και σχετίζεται με μια μεγάλη διαμάχη ανάμεσα στον Κάρολο Δαρβίνο και τον λόρδο Κέλβιν, για την ηλικία της Γης. (Για την ιστορία η εκτίμηση της ηλικίας της Γης που έκανε ο Δαρβίνος ήταν στη σωστή κατεύθυνση. Αντίθετα αυτή που πρότεινε ο λόρδος Κέλβιν, υποθέτοντας ότι η Γη είχε ψυχθεί σταδιακά ύστερα από μια αρχική κατάσταση τήξης, ήταν υπερβολικά σύντομη για να είναι δυνατή η βιολογική εξέλιξη. Βέβαια, εκείνη την εποχή οι επιστήμονες -και ο Κέλβιν- αγνοούσαν την ραδιενέργεια που αποτελεί μια συνεχή πηγή θερμότητας στο εσωτερικό της Γης).

Η ηλικία της Γης και του ηλιακού συστήματος προσδιορίζεται πλέον με την ραδιοχρονολόγηση αρχέγονων πετρωμάτων και μετεωριτών. Υπολογίζεται περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Παρόλα αυτά, εξακολουθεί να υπάρχει αβεβαιότητα μεταξύ των γεωφυσικών σχετικά με το ποσοστό της γήινης θερμότητας που προέρχεται από την πυρηνική σχάση ραδιενεργών στοιχείων και εκείνο που είναι κατάλοιπο από την θυελλώδη γέννησή της. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής του πλανήτη μας οφείλεται στην διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου και θορίου, αλλά δεν είναι βέβαιοι ούτε για το πόσο άφθονα είναι αυτά τα στοιχεία ούτε για την κατανομή τους στο εσωτερικό της Γης. Μπορεί να φαίνεται περίεργο, αλλά γνωρίζουμε την σύνθεση του Ήλιου πολύ καλύτερα απ’ ότι το εσωτερικό του πλανήτη μας.

Σήμερα χάρη στους σύγχρονους ευαίσθητους ανιχνευτές, οι επιστήμονες μπορούν να «ακτινογραφήσουν» το εσωτερικό της Γης παρατηρώντας τα αντινετρίνα που παράγονται κατά τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων στο εσωτερικό της. Το 1953 ο κορυφαίος φυσικός George Gamow είχε υποδείξει την δυνατότητα ανίχνευσης νετρίνων γήινης προέλευσης. Το 1983 οι Lawrence M. Krauss, Sheldon L. Glashow και David N. Schramm στην εργασία τους με τίτλο «Anti-neutrinos Astronomy and Geophysics» υπολόγισαν πόσα νετρίνα πρέπει να εκπέμπονται από την Γη ανά δευτερόλεπτο. Με έκπληξη διαπίστωσαν ότι ο αριθμός τους ήταν εξίσου μεγάλος με την ροή των νετρίνων που φτάνουν στην Γη και παράγονται στο εσωτερικό του Ήλιου. Απέδειξαν επίσης ότι τα αντινετρίνα θα μπορούσαν να μας επέτρεπαν να «δούμε» βαθιά στο εσωτερικό της Γης και να κατανοήσουμε την σύνθεσή της. Τα επονομαζόμενα γεω-νετρίνα θα μας αποκάλυπταν πόσο ουράνιο και θόριο υπάρχει στον φλοιό και τον μανδύα της Γης.

Το υπόβαθρο ενός ανιχνευτή νετρίνων

Από τότε πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι το 2005, όταν ο ανιχνευτής νετρίνων ΚamLand (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) κατέγραψε για πρώτη φορά 25 γεωνετρίνα.

Η έρευνα σχετικά με την ανίχνευση γεωνετρίνων συνεχίστηκε και συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

Ένα μεγάλο πρόβλημα των ανιχνευτών νετρίνων σαν τον ΚamLand, είναι τα γεγονότα υποβάθρου. Οι ανιχνευτές αυτοί πρέπει να είναι πολύ μεγάλοι ώστε να ενισχύονται τα ασθενή σήματα. Ο ΚamLand είναι γεμάτος με 1000 τόνους σπινθηριστή από υδρογονάνθρακες που αλληλεπιδρά με τα νετρίνα εκπέμποντας φως, το οποίο συλλέγεται ως η απόδειξη της αλληλεπίδρασης νετρίνων. Το αντινετρίνο αλληλεπιδρά με πυρήνα υδρογόνου (πρωτόνιο), δίνοντας νετρόνιο και ποζιτρόνιο \bar{\nu} + p \rightarrow e^{+}+n, ενώ στη συνέχεια η εξαϋλωση του ποζιτρονίου παράγει φωτόνια.

Όμως, οι υδρογονάνθρακες του ανιχνευτή περιέχουν και άνθρακα. Το 98,8% του άνθρακα είναι το ισότοπο 12C και το 1,1% το ισότοπο 13C. Στο ισότοπο 13C και τα προϊόντα διάσπασης του αερίου ραδονίου οφείλεται ένας μεγάλος αριθμός γεγονότων υποβάθρου που καταγράφει ο ανιχνευτής.

Όταν διασπάται το ραδόνιο, που αναπόφευκτα περιέχεται στον ανιχνευτή, παράγονται σωματίδια άλφα (πυρήνες 4He) τα οποία αλληλεπιδρώντας με τον άνθρακα-13 παράγουν νετρόνια:

13C + 4He → n + 16O

Στη συνέχεια η διάσπαση του νετρονίου n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu} , προκαλεί τον σχηματισμό των αντινετρίνων που αποτελούν την βασική πηγή υποβάθρου. Για να απαλειφθούν αυτά τα γεγονότα υποβάθρου πρέπει να είναι γνωστός ο ρυθμός με τον οποίο πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ανιχνευτή οι πυρηνικές αντιδράσεις των σωματιδίων άλφα με τον άνθρακα-13. Κι αυτό απαιτεί την ακριβή γνώση της ενεργού διατομής της πυρηνικής αντίδρασης 13C(α,n)16O.

Κι εδώ έρχονται οι ερευνητές M. Febbraro et al με την πρόσφατη δημοσίευσή τους με τίτλο «New 13C(α,n)16O Cross Section with Implications for Neutrino Mixing and Geoneutrino Measurements» , στην οποία επανεκτιμούν την ενεργό διατομή της κρίσιμης αυτής πυρηνικής αντίδρασης.

Ο νέος ρυθμός παραγωγής νετρονίων διαμέσου της 13C(α,n)16O που υπολόγισαν οι Febbraro et al μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί από τους φυσικούς του ανιχνευτή KamLAND (και άλλων σχετικών πειραμάτων), για να αφαιρεθεί το υπόβαθρο με καλύτερη ακρίβεια. Έτσι θα επανεκτιμηθεί η ροή των γεω-νετρίνων και οι ποσότητες ουρανίου και θορίου που περιέχονται στο εσωτερικό της Γης. Κι αυτό ενδιαφέρει άμεσα τους γεωφυσικούς.

https://physicsgg.me/2020/12/14/%ce%b3%ce%b9%ce%b1%cf%84%ce%af-%ce%bf%ce%b9-%ce%b3%ce%b5%cf%89%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%ce%b5%ce%bd%ce%b4%ce%b9%ce%b1%cf%86%ce%ad%cf%81%ce%bf%ce%bd%cf%84%ce%b1%ce%b9-%ce%b3%ce%b9/

GRAND: Μια γιγαντιαία συστοιχία ραδιοτηλεσκοπίων για την ανίχνευση νετρίνων.

Το πρόγραμμα της τεράστιας διάταξης ραδιοτηλεσκοπίων ονομάζεται GRAND (Giant Radio Array Giant Radio Array for Neutrino Detection) και θα καλύπτει μια περιοχή έως και 200.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα με σκοπό την ανίχνευση νετρίνων του ταυ – με ενέργεια μεγαλύτερη από 1 EeV=1018 eV. Υπενθυμίζεται ότι η έκταση της Ελλάδας είναι 132.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα.

Τα εν λόγω νετρίνα υπερ-υψηλής ενέργειας προέρχονται από δυο ειδών πηγές. Πρώτον, απευθείας από κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, και δεύτερον, από την αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων υπερ-υψηλής ενέργειας με τα φωτόνια του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων που διαχέεται στο σύμπαν.

Τα νετρίνα που θα αναζητήσει το GRAND ονομάζονται νετρίνα του σωματιδίου ταυ και δεν είναι άμεσα προϊόντα των παραπάνω πηγών. Οι πηγές αυτές δημιουργούν νετρίνα του μιονίου ή του ηλεκτρονίου και διαμέσου των ‘ταλαντώσεων’ αυτών των νετρίνων, προκύπτουν τα νετρίνα του ταυ.

Από τους τρεις τύπους νετρίνων των κοσμικών ακτίνων υπερ-υψηλής ενέργειας, το νετρίνο του ηλεκτρονίου απλά ‘κολλάει’ στην συνηθισμένη ύλη με την οποία αλληλεπιδρά, ενώ το νετρίνο του μιονίου συνεχίζει να ταξιδεύει μέσω της συνηθισμένης ύλης ακόμα και αν αλληλεπιδρά με αυτή. Οι πειραματικοί ενδιαφέρονται για το νετρίνο του ταυ γιατί αλληλεπιδρά με την συνηθισμένη ύλη και διασπάται αφού διανύσει περίπου 50 km από το σημείο αλληλεπίδρασης. Η συστοιχία τηλεσκοπίων GRAND θα βρίσκεται σε κατάλληλα επιλεγμένη θέση για να ανιχνεύει αυτή τη διάσπαση (που περιγράφεται από τον όρο “air shower”) από το ραδιοφωνικό σήμα που δημιουργεί.

Εκτός από τον πρωταρχικό στόχο της ανίχνευσης νετρίνων υπερ-υψηλής ενέργειας, τα ραδιοτηλεσκόπια GRAND θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και για άλλες αστροφυσικές αναζητήσεις: π.χ. ανίχνευση ταχέων ραδιοφωνικών εκρήξεων, διερεύνηση της κοσμολογικής εποχής του επανιονισμού κ.λπ., όπως δείχνει το παραπάνω διάγραμμα (αριστερά).

https://physicsgg.me/2020/12/28/grand-%ce%bc%ce%b9%ce%b1-%ce%b3%ce%b9%ce%b3%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%ce%b1%ce%af%ce%b1-%cf%83%cf%85%cf%83%cf%84%ce%bf%ce%b9%cf%87%ce%af%ce%b1-%cf%81%ce%b1%ce%b4%ce%b9%ce%bf%cf%84%ce%b7%ce%bb%ce%b5/

Τέλος στην αναζήτηση της διπλής διάσπασης β χωρίς νετρίνα από το GERDA

Το κυνήγι του πειράματος GERDA (GERmanium Detector Array) για την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα φτάνει στο τέλος του, χωρίς να προκύψει απόδειξη ότι τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana (ότι ταυτίζονται δηλαδή με τα αντισωματίδιά τους).

Από το 2011, το πείραμα GERDA ψάχνει για την διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα. Μετά από 9 χρόνια η φιλόδοξη αυτή έρευνα κλείνει. Στα τελικά αποτελέσματα οι φυσικοί του GERDA αναφέρουν πως δεν βρήκαν κάποιο στοιχείο που να δείχνει την πραγματοποίηση αυτής της σπάνιας διάσπασης. Όμως, τα όρια που καθόρισαν θα χρησιμοποιηθούν από την επόμενη γενιά πειραμάτων, τα οποία θα μπορούσαν να αποκαλύψουν θεμελιώδεις ιδιότητες νετρίνων όπως η μάζα τους, και το πως η ύλη πήρε το πλεονέκτημα έναντι της αντιύλης αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Το πείραμα GERDA είναι μια διάταξη ανιχνευτών γερμανίου βυθισμένων σε υγρό αργό, 1400 μέτρα κάτω από το έδαφος στο Gran Sasso της Ιταλίας. Αναζητούσε την πυρηνική διαδικασία που είναι γνωστή ως διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα. Στην «φυσιολογική» διπλή διάσπαση β, δύο νετρόνια μετατρέπονται σε δύο πρωτόνια, δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα του ηλεκτρονίου. Ωστόσο, αν τα νετρίνα ταυτίζονται με τα αντισωματίδιά τους τότε η θεωρία επιτρέπει την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων, η οποία συμβολίζεται με 0νββ.

Το GERDA αναζήτησε αυτήν τη σπάνια συμπεριφορά ψάχνοντας για τα ηλεκτρόνια που (πιθανώς) να εκπέμπονταν από περίπου 36 κιλά γερμανίου εμπλουτισμένου με το ισότοπο γερμάνιο-76. Το 76Ge είναι ένας από τους λίγους πυρήνες που θα μπορούσαν να υποστούν διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα (76Ge→76Se + 2e−). Αν είχε συμβεί τέτοιου είδους διάσπαση το GERDA θα ανίχνευε τα προκύπτοντα ζεύγη ηλεκτρονίων. Όμως δεν βρέθηκε κανένα τέτοιο ζεύγος.

Η έρευνα έδειξε ότι αν συμβαίνει η διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα, τότε θάπρεπε να έχει χρόνο ημιζωής τουλάχιστον 1,8×1026 χρόνια. Το πείραμα GERDA βελτιώνοντας την ακρίβεια των προηγούμενων μετρήσεων κατά μια τάξη μεγέθους, θα δώσει την σκυτάλη τεχνογωσίας του σε άλλα πειράματα, όπως το LEGEND, το οποίο στοχεύει στην ανίχνευση της 0νββ, ακόμη και αν ο χρόνος ημιζωής της είναι μεγαλύτερος από 1028 χρόνια.

https://physicsgg.me/2020/12/18/%cf%84%ce%ad%ce%bb%ce%bf%cf%82-%cf%83%cf%84%ce%b7%ce%bd-%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%b6%ce%ae%cf%84%ce%b7%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%b7%cf%82-%ce%b4%ce%b9%cf%80%ce%bb%ce%ae%cf%82-%ce%b4%ce%b9%ce%ac%cf%83%cf%80/

Επιστήμονες ανακάλυψαν σωματίδιο - «φάντασμα» από μαύρη τρύπα στον Νότιο Πόλο.

Οι επιστήμονες κατάφεραν να ανιχνεύσουν στη Γη την παρουσία ενός νετρίνου πολύ υψηλής ενέργειας, ενός σωματιδίου-φαντάσματος, το οποίο δημιουργήθηκε κατά την καταστροφή ενός άστρου από την κολοσσιαία βαρύτητα μια μαύρης τρύπας με μάζα όσο 30 εκατομμύρια ήλιοι.

Το συμβάν, σε απόσταση 700 εκατομμυρίων ετών, λίγο πριν εμφανιστούν τα πρώτα ζώα στον πλανήτη μας, δημιούργησε ένα είδος γιγάντιου κοσμικού επιταχυντή σωματιδίων, εξαπολύοντας νετρίνα που πρόσφατα έφθασαν και διαπέρασαν τη Γη.

Η ανακάλυψη ρίχνει νέο φως στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας, δηλαδή εκείνων των σωματιδίων στο σύμπαν που έχουν την μεγαλύτερη ενέργεια. Στη Γη τα υποατομικά σωματίδια νετρίνα παράγονται μόνο σε ισχυρούς επιταχυντές. Στο σύμπαν τα νετρίνα και οι πηγές προέλευσης τους θεωρούνται από τα δυσκολότερα πράγματα να ανιχνευθούν, γι’ αυτό η ανακάλυψη θεωρείται σημαντική.

Οι ερευνητές από δεκάδες ερευνητικούς φορείς πολλών χωρών έκαναν δύο σχετικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό αστρονομίας Nature Astronomy και όπως αναμεταδίδει το ΑΠΕ-ΜΠΕ. Όπως δήλωσε ο Σιόερτ βαν Βέλτσεν του ολλανδικού Πανεπιστημίου του Λέιντεν, «η προέλευση των κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας είναι άγνωστη, πρωτίστως επειδή είναι άκρως δύσκολο να εντοπισθούν. Είναι μόλις η δεύτερη φορά που ανιχνεύθηκε η πηγή ενός τέτοιου νετρίνου υψηλής ενέργειας».

Τόσο η προηγούμενη όσο και η νέα ανίχνευση έγινε από το αμερικανικό Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube στο Νότιο Πόλο, το οποίο βρίσκεται στο σταθμό Αμούντσεν-Σκοτ των ΗΠΑ στην Ανταρκτική. Το 2017 ο εν λόγω παγωμένος ανιχνευτής εντόπισε ένα νετρίνο, η πηγή του οποίου προσδιορίστηκε το 2018 ότι ήταν ένας ενεργός γαλαξίας (blazer).

Η πρωτοτυπία αυτή τη φορά έγκειται στο ότι είναι το πρώτο ανιχνεύσιμο νετρίνο από ένα κατακλυσμικό συμβάν, συγκεκριμένα την καταστροφή ενός καταδικασμένου άστρου που πλησίασε πολύ μια μαύρη τρύπα. Αυτά τα γεγονότα, για τα οποία οι αστροφυσικοί δεν ξέρουν πολλά πράγματα, μπορούν να λειτουργήσουν ως πανίσχυροι φυσικοί επιταχυντές σωματιδίων.

Το νετρίνο υπερυψηλής ενέργειας, που έγινε αντιληπτό από το IceCube, «προσέκρουσε στον πάγο της Ανταρκτικής με την αξιοσημείωτη ενέργεια άνω των 100 τεραηλεκτρονιοβόλτ. Συγκριτικά, είναι τουλάχιστον δεκαπλάσια ενέργεια από αυτή που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, στο CERN», δήλωσε η καθηγήτρια του γερμανικού Πανεπιστημίου του Μπόχουμ, Άννα Φρανκόβιακ.

Παρά την τόσο μεγάλη ενέργειά τους, τα κοσμικά νετρίνα, που ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή στο σύμπαν, είναι τόσο ελαφριά που διαπερνούν απαρατήρητα τα πάντα, ακόμη και ολόκληρους πλανήτες ή άστρα, γι’ αυτό έχουν ονομαστεί σωματίδια-φαντάσματα. Η «σύλληψη» ακόμη κι ενός μόνο τέτοιου φευγαλέου σωματιδίου συνιστά επίτευγμα.

Την ανίχνευση του νετρίνου από το IceCube ακολούθησαν αστρονομικές παρατηρήσεις με πολλά όργανα σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες-Χ, εωσότου εντοπισθεί η πηγή προέλευσης του.

Η νέα ανακάλυψη, όπως ανέφερε ο καθηγητής αστρονομίας, Μάρεκ Κοβάλσκι, του Πανεπιστημίου Χούμπολτ του Βερολίνου, αναδεικνύει για μια άλλη φορά τη σημασία της αστρονομίας πολλαπλών μέσων (multi-messenger astronomy), η οποία δεν βασίζεται πια μόνο στα φωτόνια αλλά και σε άλλα μέσα, όπως τα νετρίνα και τα βαρυτικά κύματα, για να μελετήσει τα φαινόμενα στο σύμπαν.

https://www.pronews.gr/epistimes/diastima/965288_epistimones-anakalypsan-somatidio-fantasma-apo-mayri-trypa-ston-notio-polo

Ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας από το παρατηρητήριο IceCube στο Νότιο Πόλο.

Animation (DESY, Science Communication Lab): Καθώς το άστρο πλησιάζει την μαύρη τρύπα, οι τεράστιες παλιρροιακές δυνάμεις το παραμορφώνουν όλο και περισσότερο έως ότου τελικά κομματιαστεί. Τα μισά από τα αστρικά συντρίμμια εκτοξεύονται στο διάστημα, ενώ τα υπόλοιπα σχηματίζουν έναν περιστρεφόμενο δίσκο προσαύξησης στην μαύρη τρύπα, από τον οποίο δύο ισχυροί πίδακες ύλης την εκτινάσσουν πάνω και κάτω. Το όλο σύστημα λειτουργεί ως ένας πανίσχυρος φυσικός επιταχυντής σωματιδίων. Οι επιστήμονες ανίχνευσαν στο παρατηρητήριο IceCube ένα μόνο νετρίνο από τα πολυάριθμα σωματίδια που εκσφενδόνισε το εν λόγω σύστημα προς τη Γη. Η ενέργεια του σωματιδίου ήταν μεγαλύτερη από 100 TeV.

Ο ανιχνευτής νετρίνων IceCube

Ένα από τα πιο φιλόδοξα και αντισυμβατικά επιστημονικά όργανα βρίσκεται κοντά στον Νότιο Πόλο, θαμμένο βαθιά μέσα στους πάγους και βλέπει προς τα κάτω, όχι προς τα πάνω. Πρόκειται για το παρατηρητήριο IceCube που όμοιό του δεν υπάρχει. Ο ίδιος ο παγετωνικός πάγος, διαφανής και απαλλαγμένος από φυσαλίδες αέρα χάρη στην ακραία πίεση που επικρατεί σε βάθη μεγαλύτερα από ενάμισι χιλιόμετρο, εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό που εξυπηρετεί το λείο πρωτεύον κάτοπτρο ενός συμβατικού αστρονομικού τηλεσκοπίου. Ενταφιασμένα στο εσωτερικό του είναι 86 επιμήκη κατακόρυφα ατσάλινα καλώδια, που στο κάθε ένα υπάρχουν αναρτημένες 60 σφαίρες στο μέγεθος μπάλας του μπάσκετ, ανά τακτά διαστήματα. Κάθε μία από τις 5160 σφαίρες περιέχει οπτικούς αισθητήρες και ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι αισθητήρες, οι οποίοι ονομάζονται φωτολυχνίες, λειτουργούν αντίστροφα από τους λαμπτήρες φωτισμού: συγκεντρώνουν το φως και παράγουν ηλεκτρικά σήματα. Στην περίπτωση του IceCube, οι αισθητήρες ελέγχουν εξονυχιστικά τον υπόγειο πάγο για αμυδρές μπλε λάμψεις που περιστασιακά τρεμοπαίζουν μέσα στο γαλήνιο σκοτάδι. Κάθε φορά που ένας αισθητήρας ανιχνεύει κάποια λάμψη στέλνει ένα σήμα στους υπολογιστές που βρίσκονται στην επιφάνεια.

Οι μπλε λάμψεις δηλώνουν την διέλευση των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι γνωστά ως μιόνια, τα οποία ανήκουν στην ίδια κατηγορία με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν περίπου διακόσιες φορές μεγαλύτερη μάζα. Με τον συνδυασμό των σημάτων από τους διάφορους κόμβους αυτού του ενταφιασμένου δικτύου αισθητήρων, οι φυσικοί μπορούν να παρακολουθήσουν την πορεία ενός μιονίου στις τρεις διαστάσεις. Όμως οι ερευνητές δεν κυνηγούν τα ίδια τα μιόνια. Κυνηγούν νετρίνα, τους πιο φευγαλέους και αλλόκοτους απ’ όλους τους θαμώνες του υποατομικού κόσμου τους οποίους γνωρίζουμε. Αυτά τα σωματίδια-φαντάσματα αλληλεπιδρούν κάθε τόσο με πρωτόνια στα μόρια του πάγου και απελευθερώνουν μιόνια, κάτι που προδίδει την παρουσία τους καθώς τα μιόνια με τη σειρά τους φωτίζουν τον πάγο. Το νεογέννητο μιόνιο ταξιδεύει μέσα στον πάγο συνεχίζοντας την ίδια διαδρομή που ακολούθησε το εισερχόμενο νετρίνο, οπότε οι ερευνητές μπορούν, εξετάζοντας το ίχνος του μιονίου, να υπολογίσουν από ποια κατεύθυνση μας ήρθε το νετρίνο.

Τα νετρίνα δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, η μάζα τους είναι απειροελάχιστη και σπανιότατα αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια. Ένα τυπικό νετρίνο θα μπορούσε να ταξιδέψει απόσταση ίση με ένα έτος φωτός μέσα σε μόλυβδο (!!) και να μην αλληλεπιδράσει ούτε με ένα άτομο.

Αυτό είναι άλλωστε το πρόβλημα με τα νετρίνα: είναι παθολογικώς ντροπαλά! Η σφοδρότατη απροθυμία τους για συναναστροφές δυσχεραίνει τον εντοπισμό τους, γι’ αυτό και το κυνήγι των νετρίνων είναι πολύ δύσκολη δουλειά. Όμως μια στο τόσο όλο και κάποιο νετρίνο θα συγκρουστεί με κάτι, π.χ. με ένα πρωτόνιο σ’ ένα μόριο νερού – ουσιαστικά, πρόκειται για ατύχημα. Οι επιστήμονες κατασκευάζουν λοιπόν εξαιρετικά μεγάλες ανιχνευτικές διατάξεις, όπως το Ice Cube, με σκοπό να αυξήσουν την πιθανότητα των τυχαίων συγκρούσεων και, επομένως, τις ευκαιρίες να παρατηρήσουμε νετρίνα. [Ρέυ Τζαγιαουόρντανα, «Κυνηγοί Νετρίνων», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης]

Ο ανιχνευτής νετρίνων IceCube που βρίσκεται στο Νότιο Πόλο ανίχνευσε ένα νετρίνο με τεράστια ενέργεια – μεγαλύτερη των 100 TeV. Το σωματίδιο δημιουργήθηκε κατά την καταστροφή ενός άστρου από την κολοσσιαία βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας με μάζα όσο 30 εκατομμύρια ήλιοι. Το συμβάν, που πραγματοποιήθηκε πριν από 700 εκατομμύρια χρόνια λίγο πριν εμφανιστούν τα πρώτα ζώα στη Γη, δημιούργησε ένα είδος γιγάντιου κοσμικού επιταχυντή σωματιδίων, εξαπολύοντας νετρίνα που πρόσφατα έφθασαν και διαπέρασαν τη Γη.

Η ανακάλυψη ρίχνει νέο φως στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας, δηλαδή εκείνων των σωματιδίων στο σύμπαν που έχουν την μεγαλύτερη ενέργεια.

Οι ερευνητές από δεκάδες ερευνητικούς φορείς πολλών χωρών έκαναν δύο σχετικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό αστρονομίας «Nature Astronomy». Όπως δήλωσε ο Σιόερτ βαν Βέλτσεν του ολλανδικού Πανεπιστημίου του Λέιντεν, «η προέλευση των κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας είναι άγνωστη, πρωτίστως επειδή είναι άκρως δύσκολο να εντοπισθούν. Είναι μόλις η δεύτερη φορά που ανιχνεύθηκε η πηγή ενός τέτοιου νετρίνου υψηλής ενέργειας».

Τόσο η προηγούμενη όσο και η νέα ανίχνευση έγινε από το αμερικανικό Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube στο Νότιο Πόλο, το οποίο βρίσκεται στο σταθμό Αμούντσεν-Σκοτ των ΗΠΑ στην Ανταρκτική. Το 2017 ο εν λόγω παγωμένος ανιχνευτής εντόπισε ένα νετρίνο ενέργειας 290 TeV, η πηγή του οποίου προσδιορίστηκε το 2018 ότι ήταν ένας ενεργός γαλαξίας (blazer). Η πρωτοτυπία αυτή τη φορά έγκειται στο ότι είναι το πρώτο ανιχνεύσιμο νετρίνο από ένα κατακλυσμικό συμβάν, συγκεκριμένα την καταστροφή ενός καταδικασμένου άστρου που πλησίασε πολύ μια μαύρη τρύπα. Αυτά τα γεγονότα, για τα οποία οι αστροφυσικοί δεν ξέρουν πολλά πράγματα, μπορούν να λειτουργήσουν ως πανίσχυροι φυσικοί επιταχυντές σωματιδίων.

Το νετρίνο υπερυψηλής ενέργειας, που έγινε αντιληπτό από το IceCube, «προσέκρουσε στον πάγο της Ανταρκτικής με την αξιοσημείωτη ενέργεια άνω των 100 TeV. Συγκριτικά, είναι τουλάχιστον δεκαπλάσια ενέργεια από αυτή που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, στο CERN», δήλωσε η καθηγήτρια του γερμανικού Πανεπιστημίου του Μπόχουμ ‘Ανα Φρανκόβιακ.

Παρά την τόσο μεγάλη ενέργειά τους, τα κοσμικά νετρίνα, που ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή στο σύμπαν, είναι τόσο ελαφριά που διαπερνούν απαρατήρητα τα πάντα, ακόμη και ολόκληρους πλανήτες ή άστρα, γι’ αυτό έχουν ονομαστεί σωματίδια-φαντάσματα. Η «σύλληψη» ακόμη κι ενός μόνο τέτοιου φευγαλέου σωματιδίου συνιστά επίτευγμα.

Την ανίχνευση του νετρίνου από το IceCube ακολούθησαν αστρονομικές παρατηρήσεις με πολλά όργανα σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες-Χ, εωσότου εντοπισθεί η πηγή προέλευσης του.

Η νέα ανακάλυψη, όπως ανέφερε ο καθηγητής αστρονομίας Μάρεκ Κοβάλσκι του Πανεπιστημίου Χούμπολτ του Βερολίνου, αναδεικνύει για μια άλλη φορά τη σημασία της αστρονομίας πολλαπλών μέσων (multi-messenger astronomy), η οποία δεν βασίζεται πια μόνο στα φωτόνια αλλά και σε άλλα μέσα, όπως τα νετρίνα και τα βαρυτικά κύματα, για να μελετήσει τα φαινόμενα στο σύμπαν.

https://physicsgg.me/2021/02/23/ghost-particle-from-shredded-star-reveals-cosmic-particle-accelerator/

Ένα «κουνούπι» με ταχύτητα 8,2 Μαχ

Σωματίδιο αντιύλης «τερατώδους» ενέργειας ανιχνεύθηκε στην Ανταρκτική.

Ένα αντινετρίνο έφτασε στη Γη με ενέργεια ίση με την κινητική ενέργεια ενός κουνουπιού ταχύτητας 8,2 Mach – τόση ενέργεια στον κόσμο των σωματιδίων θεωρείται ‘εκκωφαντικά’ τεράστια – και συγκρούστηκε με ένα ηλεκτρόνιο των πάγων της Ανταρκτικής, προκαλώντας μια σπάνια αλληλεπίδραση. Τέτοια σπάνια γεγονότα είχαν προβλεφθεί θεωρητικά το 1960, αλλά ουδέποτε είχαν ανιχνευθεί.

Το εν λόγω γεγονός συνέβη το 2016, όμως οι ερευνητές το διερεύνησαν αναλυτικά και το επιβεβαιώνουν στην εργασία τους που δημοσιεύθηκε στις 10 Μαρτίου στο περιοδικό Nature. Το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου με ταχύτητα σχεδόν ίση με την ταχύτητα του φωτός, συγκρούστηκε με ένα ηλεκτρόνιο κάπου στον πάγο της Ανταρκτικής. Αυτή η σύγκρουση δημιούργησε έναν πίδακα σωματιδίων που εντοπίστηκαν από τον υπόγειο ανιχνευτή IceCube – ο οποίος είναι υπεύθυνος για μεγάλο μέρος της έρευνας σχετικά με τα νετρίνα υψηλής ενέργειας την τελευταία δεκαετία.

Οι φυσικοί του IceCube αναφέρουν ότι αυτός ο πίδακας σωματιδίων περιείχε αποδεικτικά στοιχεία για ένα φαινόμενο που είχε προβλεφθεί θεωρητικά, αλλά ποτέ δεν είχε εντοπιστεί, γνωστό ως «συντονισμός Glashow» .

Το 1960, ο φυσικός Sheldon L. Glashow, τότε μεταπτυχιακός ερευνητής στο Σκανδιναβικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Δανία, προέβλεψε ότι όταν ένα αντινετρίνο με την κατάλληλα υψηλή ενέργεια συγκρούεται με ένα ηλεκτρόνιο, παράγεται βαρύ βραχύβιο σωματίδιο γνωστό σήμερα ως μποζόνιο W: \bar{\nu}+e^{-} \rightarrow W^{-}

Η πρόβλεψη του Glashow βασίζεται στους θεμελιώδεις κανόνες του Kαθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, την θεωρία που περιγράφει το κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπενθυμίζεται ότι το μποζόνιο W, φορέας των ασθενών αλληλεπιδράσεων, ανακαλύφθηκε το 1983!

Το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου το οποίο δημιούργησε το γεγονός του συντονισμού Glashow έφτασε από πολύ μακριά πριν φτάσει στο IceCube. .

Η ανίχνευση του συντονισμού Glashow είναι μια ισχυρή επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Προτύπου. Αλλά απαιτεί το νετρίνο να μεταφέρει ενέργεια 6.3 PetaelectronVolts (1PeV=1015eV), πολύ περισσότερη από οποιαδήποτε ενέργεια μπορεί σήμερα να επιτευχθεί στους επιταχυντές σωματιδίων.

Συνήθως είναι δύσκολο να αντιληφθούμε τους αριθμούς που περιγράφουν μεγέθη των σωματιδίων υψηλών ενεργειών. Ένα νετρίνο έχει μάζα μικρότερη από 2×10−37kg, και χιλιάδες νετρίνα χαμηλής ενέργειας που παράγονται στον ήλιο περνούν μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο χωρίς να τα αντιλαμβανόμαστε. Ένα νετρίνο με ενέργεια 6,3 PeV είναι ‘θηριώδες’. Σύμφωνα με το CERN, ένα teraelectronvolt (TeV) ισοδυναμεί με την ενέργεια ενός κουνουπιού που πετά με ταχύτητα 1 mph (1,6 km/h). Και τα 6,3 PeV είναι 6.300 TeV. Έτσι, ένα σμήνος 6.300 κουνουπιών με αυτή την ταχύτητα (ή ένα μόνο κουνούπι με ταχύτητα 8,2 Mach, πάνω από τέσσερις φορές η μέγιστη ταχύτητα ενός F-16), ισοδυναμεί με την ενέργεια ενός απειροελάχιστου σωματιδίου που απαιτείται για τον συντονισμό του Glashow.

Συγκριτικά, μπορούμε να πούμε επίσης ότι η ενέργεια των 6,3 PeV είναι 450 φορές η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να παράγει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC).

Δεδομένης της τεράστιας απαιτούμενης ενέργειας, κανένας δεν ήλπιζε να ανιχνεύσει τον συντονισμό του Glashow στα πειράματα των επίγειων επιταχυντών. Αλλά το IceCube, ανιχνεύει σωματίδια που καταφτάνουν από το αχανές διάστημα. Το σωματίδιο που χτύπησε στον πάγο της Ανταρκτικής το 2016 παρήγαγε έναν χαρακτηριστικό πίδακα σωματιδίων που σύμφωνα με τους ερευνητές προήλθε από την διάσπαση του μποζονίου W. Κι αυτό είναι το χαρακτηριστικό σημάδι ενός αντινετρίνου 6.3PeV και του συντονισμού του Glashow.

Ο Sheldon Glashow, που βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1979 για την συνεισφορά του στην ενοποίηση ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων και την πρόβλεψη του ασθενούς ουδέτερου ρεύματος, δήλωσε σχετικά με την ανίχνευση του συντονισμού του: «Για να είμαστε απολύτως σίγουροι, θα πρέπει να δούμε άλλο ένα τέτοιο γεγονός στην ίδια ενέργεια με αυτό που παρατηρήσαμε. Μέχρι στιγμής υπάρχει ένα, και στο μέλλον θα υπάρχουν περισσότερα» .

Οι φυσικοί εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι για το πώς παράχθηκε το τερατώδους ενέργειας σωματίδιο της αντιύλης. Η ανίχνευση περισσότερων γεγονότων, θα βελτιώσει την θεωρητική περιγραφή των κοσμικών επιταχυντών που παράγουν τέτοια ακραία σωματίδια, εκτοξεύοντάς τα προς τη Γη.

Το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου το οποίο δημιούργησε το γεγονός του συντονισμού Glashow έφτασε από πολύ μακριά πριν φτάσει στο IceCube. Στο παραπάνω γράφημα (χωρίς κλίμακα) η μπλέ διακεκομμένη γραμμή δείχνει την διαδρομή του αντινετρίνου

https://physicsgg.me/2021/03/17/%ce%ad%ce%bd%ce%b1-%ce%ba%ce%bf%cf%85%ce%bd%ce%bf%cf%8d%cf%80%ce%b9-%ce%bc%ce%b5-%cf%84%ce%b1%cf%87%cf%8d%cf%84%ce%b7%cf%84%ce%b1-82-%ce%bc%ce%b1%cf%87/

Κυνηγώντας νετρίνα κάτω από την βαθύτερη λίμνη του κόσμου.

Ρώσοι επιστήμονες επιχειρούν να χαρτογραφήσουν το σύμπαν με ένα φιλόδοξο πρόγραμμα στην τεράστια λίμνη της Ρωσίας

Στη λίμνη Βαϊκάλη της Ρωσίας, τη βαθύτερη του κόσμου, γυάλινες σφαίρες μεγέθους μιας μπάλας παραλίας βυθίζονται σε μια τρύπα στον πάγο και κατεβαίνουν με ένα μεταλλικό καλώδιο προς τον πυθμένα. Αυτές οι σφαίρες ανίχνευσης φωτός ακινητοποιούνται σε βάθη έως και 1,2 χλμ. κάτω από την επιφάνεια. Το καλώδιο που τις μεταφέρει υποστηρίζει 36 τέτοιες σφαίρες. Εξήντα τέσσερα τέτοια καλώδια συγκρατούνται στη θέση τους από άγκυρες και σημαδούρες, 3,2 χλμ. μακριά από τη νότια ακτή της Βαϊκάλης, στη Σιβηρία. Ο πυθμένας της λίμνης βρίσκεται σε βάθος 1,6 χιλιομέτρου.

Η εγκατάσταση αυτή αποτελεί ένα εντελώς ασυνήθιστο τηλεσκόπιο, το μεγαλύτερο του είδους του στο βόρειο ημισφαίριο, που κατασκευάστηκε για να εξερευνήσει μαύρες τρύπες, μακρινούς γαλαξίες και απομεινάρια αστεριών που έχουν ήδη εκραγεί στο μακρινό Διάστημα. Τα τηλεσκόπια αυτού του είδους αναζητούν νετρίνα, κοσμικά σωματίδια τόσο μικροσκοπικά και τόσο μη ευαίσθητα στις συνήθεις αλληλεπιδράσεις, που πολλά τρισεκατομμύρια από αυτά περνούν μέσα από τον καθένα μας κάθε δευτερόλεπτο, χωρίς να το καταλαβαίνουμε. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αν μάθουμε να διαβάζουμε τα μηνύματα που φέρουν τα νετρίνα, θα καταφέρουμε να χαρτογραφήσουμε το σύμπαν και την ιστορία του.

«Δεν πρέπει ποτέ να χάνεις την ευκαιρία να διερωτάσαι στη φύση. Ποτέ δεν ξέρεις τι απάντηση θα πάρεις», δήλωσε ο 80χρονος Ρώσος φυσικός Γκριγκόρι Β. Ντομογκάτσκι, ο οποίος ηγείται του μεγάλου ερευνητικού προγράμματος στη Βαϊκάλη εδώ και 40 χρόνια. Το τηλεσκόπιο του δρος Ντομογκάτσκι και των συνεργατών του είναι ακόμη υπό κατασκευή, αλλά πλησιάζει την ολοκλήρωσή του. Λειτουργεί συμπληρωματικά ως προς το IceCube, το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο νετρίνων του κόσμου, ενός αμερικανικού προγράμματος αξίας 279 εκατ. δολαρίων στην Ανταρκτική. Χρησιμοποιώντας πλέγμα ανιχνευτών φωτός παρόμοιο με αυτό στη Βαϊκάλη, το IceCube εντόπισε το 2017 ένα νετρίνο που πιστεύεται ότι προήλθε από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.

Στη δεκαετία του 1970, παρά τον Ψυχρό Πόλεμο, Αμερικανοί και Σοβιετικοί συνεργάζονταν για να σχεδιάσουν έναν πρώτο ανιχνευτή νετρίνων στα ανοικτά της Χαβάης. Ωστόσο, μετά την εισβολή της Σοβιετικής Ενωσης στο Αφγανιστάν, οι Σοβιετικοί απομακρύνθηκαν από το έργο. Ετσι, το 1980, το Ινστιτούτο Πυρηνικής Ερευνας στη Μόσχα ξεκίνησε τη δική του προσπάθεια, με επικεφαλής τον δρα Ντομογκάτσκι.

Το έργο δεν προχώρησε πολύ πέρα από τον σχεδιασμό, μέχρι την κατάρρευση της Σοβιετικής Ενωσης. Ωστόσο, ένα γερμανικό ινστιτούτο, που σύντομα έγινε μέρος του ερευνητικού κέντρου στοιχειωδών σωματιδίων DESY, εντάχθηκε στην προσπάθεια των Ρώσων. Ο αρχηγός της γερμανικής ομάδας Κρίστιαν Σπίρινγκ θυμάται πως έστελνε εκατοντάδες κιλά βουτύρου, ζάχαρης, καφέ και λουκάνικων για να βοηθήσει τις ετήσιες χειμερινές αποστολές στην παγωμένη Βαϊκάλη και έφερε στη Μόσχα μετρητά αξίας χιλιάδων δολαρίων για να ενισχύσει τους πενιχρούς μισθούς των Ρώσων επιστημόνων.

Το ταξίδι των νετρίνων

Καθώς η Ρωσία άρχισε να επενδύει ξανά στην επιστήμη, συμπεριλαμβανομένης της βασικής έρευνας, τη δεκαετία του 2000 υπό τον πρόεδρο Βλαντιμίρ Πούτιν, ο δρ Ντομογκάτσκι κατάφερε να εξασφαλίσει χρηματοδότηση για να κατασκευάσει ένα νέο τηλεσκόπιο, τόσο μεγάλο όσο το IceCube. Η κατασκευή ξεκίνησε το 2015 και μια πρώτη φάση, που αφορά 2.304 σφαίρες ανίχνευσης φωτός οι οποίες τοποθετούνται στα βάθη της λίμνης, προγραμματίζεται να ολοκληρωθεί την εποχή που ο πάγος θα λιώσει, τον Απρίλιο.

Το τηλεσκόπιο συλλέγει δεδομένα εδώ και χρόνια, ερευνώντας από τα έγκατα της Γης το κέντρο του γαλαξία μας και τα βάθη του Διαστήματος. Ουσιαστικά, χρησιμοποιεί τη Γη σαν ένα τεράστιο κόσκινο. Ως επί το πλείστον, μεγαλύτερα σωματίδια που χτυπούν την αντίθετη πλευρά του πλανήτη συγκρούονται κάποια στιγμή με άτομα και παρεκκλίνουν από τη διαδρομή τους. Αντίθετα, όλα τα νετρίνα συνεχίζουν να ταξιδεύουν ανεμπόδιστα σε μια, ουσιαστικά, ευθεία γραμμή.

Οταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με έναν ατομικό πυρήνα στο νερό, παράγει έναν κώνο μπλε φωτός που ονομάζεται ακτινοβολία Τσερένκοφ. Εάν παρακολουθήσει κανείς αυτές τις ασυνήθιστα μικροσκοπικές αναλαμπές σε δισεκατομμύρια τόνους νερού, πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι τελικά θα βρει νετρίνα τα οποία θα μπορούν να συνδεθούν με τις κοσμικές εκρήξεις που τα γέννησαν, δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Ο προσανατολισμός των μπλε κώνων φωτός αποκαλύπτει ακόμη και την ακριβή κατεύθυνση από την οποία προήλθαν τα νετρίνα. Καθώς δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, τα παράξενα αυτά σωματίδια δεν επηρεάζονται από διαστρικά και διαγαλαξιακά μαγνητικά πεδία ή από άλλες αλληλεπιδράσεις που τροποποιούν τις διαδρομές άλλων τύπων σωματιδίων, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα νετρίνα ταξιδεύουν στο σύμπαν σε ευθεία γραμμή, τουλάχιστον όσο το επιτρέπει η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. «Ταξιδεύει στο σύμπαν και δεν συγκρούεται με σχεδόν τίποτα και κανέναν», δηλώνει χαρακτηριστικά ο δρ Ντομογκάτσκι. «Για το νετρίνο, το σύμπαν είναι ένας διαφανής κόσμος».

Ελληνικό πρόγραμμα

Δεκάδες παρόμοια τηλεσκόπια με εκείνο στη λίμνη Βαϊκάλη αναζητούν τα κοσμικά σωματίδια σε εξειδικευμένα εργαστήρια σε όλον τον πλανήτη. Ενα από αυτά είναι το ελληνικό πρόγραμμα NESTOR (Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research), βυθισμένο στο βαθύτερο σημείο της Μεσογείου, το φρέαρ των Οινουσσών, ανοικτά των ακτών της Πύλου. Με εμπνευστή τον (ομότιμο, σήμερα) καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών Λεωνίδα Ρεσβάνη, τέθηκε σε εφαρμογή το 2003 και αποτελεί τον πρώτο υποθαλάσσιο ανιχνευτή νετρίνων στην Ευρώπη. Σήμερα, το ευρωπαϊκό πρόγραμμα KM3NeT συνδυάζει εκείνα των τηλεσκοπίων ANTARES (στα ανοικτά της Γαλλίας), NEMO (πρόκειται να ποντιστεί στα ανοικτά των ακτών της Ιταλίας) και του NESTOR, σε μια διεπιστημονική συνεργασία μεταξύ Γαλλίας, Ιταλίας και Ελλάδας, υπό την αιγίδα του Εθνικού Κέντρου Ερευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος». Το KM3NeT θα αναζητήσει νετρίνα από μακρινές αστροφυσικές πηγές, όπως υπολείμματα σουπερνόβα, εκρήξεις ακτίνων γάμα ή συγκρούσεις αστέρων, και θα είναι ένα ισχυρό εργαλείο στην αναζήτηση σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Η ερευνητική υποδομή θα φιλοξενήσει, επίσης, εξοπλισμό για άλλες επιστήμες, όπως η θαλάσσια βιολογία, η ωκεανογραφία και η γεωφυσική, για παρακολούθηση του περιβάλλοντος βαθέων υδάτων και του βυθού της θάλασσας σε βάθος πολλών χιλιομέτρων.

Στην φωτογραφία οι σημαδούρες περιμένουν να ζευγαρωθούν με τους σφαιρικούς ανιχνευτές φωτός πριν βυθιστούν κάτω από τον πάγο.

Το τηλεσκόπιο βρίσκεται δύο μίλια από τη νότια ακτή της λίμνης Βαϊκάλης στη Σιβηρία. Το βάθος της λίμνης φτάνει στα 1700 μέτρα.

Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας διάταξης του NESTOR στην Πύλο.

https://physicsgg.me/2021/04/05/%ce%ba%cf%85%ce%bd%ce%b7%ce%b3%cf%8e%ce%bd%cf%84%ce%b1%cf%82-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%b1-%ce%ba%ce%ac%cf%84%cf%89-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%ce%b2%ce%b1%ce%b8%cf%8d%cf%84/

Ποιό είναι το βαρύτερο νετρίνο;

Τα νετρίνα είναι εξαιρετικά άφθονα στο σύμπαν μας. Σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη και είναι τουλάχιστον 500.000 φορές ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια. Παράγονται στον ήλιο, σε άστρα που εκρήγνυνται και σε ραδιενεργές διασπάσεις που συμβαίνουν ακόμα και στο σώμα μας. Επειδή όμως αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη εντοπίζονται πολύ δύσκολα. Αρχικά οι φυσικοί πίστευαν ότι αυτά τα σωματίδια δεν είχαν μάζα ηρεμίας, όπως συμβαίνει με τα φωτόνια. Όμως τα πειράματα αποκάλυψαν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων με τρεις διαφορετικές μάζες. Οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη μετρήσει την ακριβή τιμή οποιασδήποτε από αυτές τις μάζες. Δεν γνωρίζουν ούτε καν ποιό νετρίνο είναι το βαρύτερο, κάτι που θα αποτελούσε ένα τεράστιο άλμα στην κατανόησή τόσο των νετρίνων όσο και της φυσικής που κυβερνά το σύμπαν μας. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό ως «ιεραρχία της μάζας νετρίνων» ή «διάταξη μαζών των νετρίνων».

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, υπάρχουν τρεις τύποι (ή γεύσεις) νετρίνων – τα νετρίνα του ηλεκτρονίου (νe), νετρίνα του μιονίου (νμ) και νετρίνα του ταυ (ντ). Tα νετρίνα «ταλαντώνονται», που σημαίνει ότι μπορούν να αλλάζουν μεταξύ αυτών των τριών τύπων (γεύσεων). Η γεύση δεν είναι μόνιμο χαρακτηριστικό των νετρίνων αφού αλλάζει με το χρόνο. Συνεπώς τα νe, νμ και ντ δεν είναι στάσιμες καταστάσεις με συγκεκριμένες μάζες αλλά υπερθέσεις στάσιμων καταστάσεων, οι οποίες παριστάνονται με ν1, ν2 και ν3. Ας σημειωθεί ότι τα «πραγματικά» νετρίνα, αυτά που έχουν καθορισμένη μάζα και παραμένουν τα ίδια για πάντα, όπως συμβαίνει με όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα ν1, ν2 και ν3, και όχι τα νe, νμ και ντ. Δεν γνωρίζουμε τις απόλυτες τιμές των μαζών, αλλά έχουν μετρηθεί οι διαφορές των τετραγώνων τους: \delta m_{21}^{2} = m_{2}^{2} - m_{1}^{2} και |\delta m_{32}^{2}| = |m^{2}_{3} - m_{2}^{2}| . Στο φάσμα των μαζών αυτές οι δυο καταστάσεις είναι πολύ κοντά, ενώ η τρίτη η ν3, βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση. Όμως ανεξάρτητα από την ιεραρχία δεδομένου ότι \delta m_{21}^{2} << |\delta m_{32}^{2}| , είναι λογικό να κάνουμε την προσέγγιση |\delta m_{32}^{2}| \approx \delta m_{31}^{2}|.

Φάσμα του τετραγώνου της μάζας των νετρίνων. Βλέπουμε επίσης και το περιεχόμενο γεύσης των ιδιοκαταστάσεων. Ανεξάρτητα από την κλίμακα της απόλυτης μάζας του ελαφρότερου νετρίνου, υπάρχουν δυο πιθανές ιεραρχίες των μαζών των νετρίνων οι οποίες φαίνονται στο παραπάνω σχήμα: η κανονική ιεραρχία m3>m2 και η ανεστραμμένη ιεραρχία m3

Οι πυρηνικές διεργασίες στον πυρήνα του ήλιου δημιουργούν έναν κατακλυσμό νετρίνων του ηλεκτρονίου, πολλά από τα οποία μετατρέπονται σε νετρίνα μιονίου και ταυ μέχρι να φτάσουν στη Γη. Όταν τα σωματίδια υψηλής ενέργειας χτυπούν την ατμόσφαιρα της Γης, δημιουργούνται νετρίνα του μιονίου, και αυτά μπορεί να να ταλαντωθούν προς νετρίνα του ηλεκτρονίου ή του ταυ μέχρι να ανιχνευθούν.

Όπως είπαμε οι τρεις τύποι (γεύσεις) νετρίνων δεν αντιστοιχούν άμεσα σε τρεις μάζες. Αντ’ αυτού, υπάρχουν τρεις «καταστάσεις μάζας νετρίνων» με αριθμούς 1, 2 και 3, η καθεμία με διαφορετικές πιθανότητες αλληλεπίδρασης με την ύλη ως ένα νετρίνο ηλεκτρονίου, ένα νετρίνο του μιονίου ή ένα νετρίνο του σωματιδίου ταυ.

Γνωρίζοντας τους ρυθμούς με τους οποίους τα νετρίνα ταλαντώνονται από τον έναν τύπο στον άλλο, οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν κάποιες εκτιμήσεις σχετικά με τις σχέσεις μεταξύ των τριών καταστάσεων μάζας. Οι προσεκτικές μετρήσεις των ηλιακών νετρίνων έδειξαν ότι η δεύτερη κατάσταση μάζας είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από την πρώτη. Οι μετρήσεις των ταλαντώσεων των νετρίνων που παράγονται στην ατμόσφαιρα και αυτών που δημιουργούνται στους επίγειους επιταχυντές, δείχνουν μεγάλη διαφορά μάζας μεταξύ της τρίτης κατάστασης μάζας και των άλλων δύο.

Αλλά μέχρι στιγμής οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να προσδιορίσουν εάν η κατάσταση μάζας 3 είναι πολύ μεγαλύτερη ή πολύ μικρότερη από τις καταστάσεις 1 και 2.

Για να διακρίνουν μεταξύ της «κανονικής ιεραρχίας μαζών» (την διάταξη 1, 2, 3) και της «ανεστραμμένης ιεραρχίας μαζών» (3, 1, 2), οι ερευνητές δημιουργούν δέσμες νετρίνων που διασχίζουν εκατοντάδες χιλιόμετρα βουνών και βράχων της Γης.

Όταν ένα νετρίνο ταξιδεύει, το ‘ποσοστό’ του που αντιστοιχεί σε νετρίνο του ηλεκτρονίου θέλει να αλληλεπιδράσει με τα ηλεκτρόνια στη Γη, και τα ‘ποσοστά’ που αντιστοιχούν σε νετρίνα μιονίου και ταυ δεν επηρεάζονται. Αυτή η επιπλέον αλληλεπίδραση καθορίζει την ταλάντωση που θα συμβεί.

Υπάρχουν δυο κατηγορίες πειραμάτων νετρίνων. Τα πειράματα εξαφάνισης νετρίνων στα οποία μετρείται η ροή των νετρίνων σε κάποια απόσταση από την πηγή τους, όπου ελέγχεται αν αυτή είναι μικρότερη από την αναμενόμενη, θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν ταλαντώσεις. Επίσης υπάρχουν και τα πειράματα εμφάνισης νετρίνων, στα οποία νετρίνα μιας γεύσης που αρχικά δεν υπήρχαν ανιχνεύονται σε κάποια απόσταση από την πηγή. Σε κάθε περίπτωση η απόσταση μεταξύ πηγής και σημείου ανίχνευσης πρέπει να είναι μεγάλη, της τάξης των χιλιομέτρων ή χιλιάδων χιλιομέτρων, ανάλογα με την ενέργεια. Τα πειράματα NOvA στις Ηνωμένες Πολιτείες και T2K στην Ιαπωνία – βοήθησαν στη βελτίωση της κατανόησης των ταλαντώσεων νετρίνων. Αλλά οι μετρήσεις τους για τη ιεραρχία μαζών μέχρι στιγμής παραμένουν ασαφείς.

Είτε το ν3 είναι το ελαφρύτερο είτε το βαρύτερο νετρίνο, θα έχει τεράστιες επιπτώσεις σχετικά με την κατανόηση αυτών των άφθονων σωματιδίων. Για παράδειγμα, η πηγή της μάζας των νετρίνων παραμένει άγνωστη. Ο προσδιορισμός της εφόσον είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό Higgs (ο οποίος είναι υπεύθυνος για την μάζα άλλων σωματιδίων), εξαρτάται εν μέρει από την ιεραρχία των μαζών. Επίσης, δεδομένου ότι τα νετρίνα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, θα μπορούσαν θεωρητικά να ταυτίζονται με τα αντισωματίδιά τους, τα αντίστοιχα σωματίδια της αντιύλης. Η γνώση της διάταξης των μαζών των νετρίνων θα καθοδηγήσει τα πειράματα που ερευνούν αυτό το πρόβλημα.

Αναζητώντας μια απάντηση στο ερώτημα της ιεραρχίας μαζών των νετρίνων, το πείραμα NOvA στέλνει δέσμες νετρίνων και αντινετρίνων περίπου 500 μίλια από το Fermilab στο Illinois προς έναν ανιχνευτή που βρίσκεται στην Minnesota. Ένα άλλο πείραμα, το T2K έστελνε νετρίνα περίπου 190 μίλια από το J-PARC στο Tokai της Ιαπωνίας, προς έναν ανιχνευτή κάτω από το όρος Ikeno.

Στα πειράματα αυτά συγκρίνεται ο ρυθμός ταλαντώσεων των νετρίνων με τον ρυθμό ταλαντώσεων των αντινετρίνων. Τυχόν διαφορές μεταξύ τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να καταλάβουν τι συμβαίνει με τις μάζες των νετρίνων. Θα μπορούσε επίσης να τους βοηθήσει να διακρίνουν γιατί η ύλη κυριάρχησε έναντι της αντιύλης στο αρχέγονο σύμπαν. Ίσως να οφείλουμε την ύπαρξή μας στα νετρίνα!

Το πείραμα NOvA προς το παρόν δεν βλέπει ισχυρή ασυμμετρία μεταξύ των ταλαντώσεων των νετρίνων και των αντινετρίνων. Όμως, το πείραμα T2K ανέφερε ενδείξεις ότι τα νετρίνα μπορεί να ταλαντώνονται διαφορετικά από τα αντινετρίνα. Ενώ το T2K σταμάτησε να λειτουργεί για να αναβαθμιστεί, το NOvA θα συνεχίσει την συλλογή δεδομένων μέχρι τα μέσα της δεκαετίας. Μεταξύ των δύο δυνατοτήτων, εκείνη που θα διευκόλυνε πολλά μελλοντικά πειράματα, αν ίσχυε, είναι η ανεστραμμένη ιεραρχία m3

Σε αντίθεση με πολλά μυστήρια στη σωματιδιακή φυσική, η ιεραρχία της μάζας των νετρίνων έχει πάρει τον δρόμο προς την επίλυσή της. Τα πειράματα της επόμενης γενιάς έχουν τις δυνατότητες να δώσουν την απάντηση.

Το Deep Underground Neutrino Experiment, ένα πείραμα στο Fermilab, θα στείλει νετρίνα κατά μήκος μιας διαδρομής περίπου 800 μιλίων από το Ιλλινόις στη Νότια Ντακότα – 60% πιο μακριά σε σχέση με το πείραμα NOvA, ‘παρέχοντας’ περισσότερη ύλη στα νετρίνα για να αλληλεπιδράσουν με αυτή.

Μια τόσο μεγάλη διαδρομή θα ενισχύσει την επίδραση της Γης στις ταλαντώσεις των νετρίνων, επιτρέποντας στους φυσικούς να εκμαιεύσουν την ιεραρχία των μαζών. Στην Ιαπωνία, η προγραμματισμένη αναβάθμιση του πειράματος T2K θα πρέπει επίσης να δώσει μια απάντηση μέσα σε λίγα χρόνια από τη συλλογή των δεδομένων.

Αρκετοί φυσικοί περιμένουν ότι στις αρχές της δεκαετίας του 2030, θα έχουμε έχουμε μια οριστική πειραματική απάντηση στο πρόβλημα της ιεραρχίας των μαζών των νετρίνων. Αλλά, ακόμα και τότε θα γνωρίζουμε μόνο τις διαφορές μεταξύ των τριών μαζών – το συνολικό μέγεθος των μαζών θα παραμένει άγνωστο.

https://physicsgg.me/2021/05/18/%cf%80%ce%bf%ce%b9%cf%8c-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%bf-%ce%b2%ce%b1%cf%81%cf%8d%cf%84%ce%b5%cf%81%ce%bf-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%af%ce%bd%ce%bf/

Από αγάπη για τα νετρίνα.

Το πείραμα CUPID-0 παρουσίασε έναν ανιχνευτή νέας τεχνολογίας που στοχεύει στην διερεύνηση της διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα.

Η ραδιενέργεια βήτα είναι μια διαδικασία κατά την οποία στο εσωτερικό του πυρήνα ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο του ηλεκτρονίου: 
ή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου: 
Τι είναι όμως η διπλή διάσπαση β χωρίς την εκπομπή νετρίνων;H ιδέα της διπλής διάσπασης βήτα προτάθηκε για πρώτη φορά από την Maria Goeppert-Mayer το 1935 (η Mayer είναι γνωστή στην πυρηνική φυσική από το μοντέλο φλοιών για το οποίο βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1963.)

https://physicsgg.me/2014/08/05/h-maria-goeppert-mayer-και-το-πρότυπο-φλοιών/

Το 1937 ο θεωρητικός Ettore Majorana απέδειξε ότι όλα τα αποτελέσματα της θεωρίας της διάσπασης β παρέμεναν αναλλοίωτα αν το νετρίνο ταυτιζόταν με το αντισωματίδιό του, ενώ το 1939, ο Wendell H. Furry πρότεινε για πρώτη φορά, ότι αν το νετρίνο ήταν ένα σωματίδιο Majorana τότε η διπλή βήτα διάσπαση θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί χωρίς την εκπομπή κάποιου νετρίνου.

Διάγραμμα Feynman για την διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων, κατά την οποία δυο νετρόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Τα μόνα εκπεμπόμενα προϊόντα είναι δυο ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να προκύψουν αν το νετρίνο και το αντινετρίνο είναι το ίδιο σωματίδιο (νετρίνο Majorana), έτσι ώστε το ίδιο νετρίνο να μπορεί να εκπεμφθεί και να απορροφηθεί από τον πυρήνα. Η ανίχνευση της διπλής βήτα διάσπασης θα επιβεβαιώσει το αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana.

Υπάρχει η κανονική διπλή βήτα διάσπαση, κατά την οποία δυο νετρόνια στον πυρήνα μετατρέπονται σε δυο πρωτόνια και ταυτόχρονα παράγονται δυο ηλεκτρόνια και δυο αντινετρίνα του ηλεκτρονίου, η οποία έχει παρατηρηθεί στο εργαστήριο. Αν όμως το νετρίνο είναι σωματίδιο Majorana (το νετρίνο ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του), τότε η θεωρία δεν απαγορεύει την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων, η οποία συμβολίζεται με 0νββ. Η μέτρηση της 0νββ θα έδινε επιπλέον, ενδιαφέρουσες πληροφορίες σχετικά με τις μάζες των νετρίνων – οι φυσικοί γνωρίζουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζες, αλλά όχι ποιες είναι οι μάζες των διαφόρων τύπων των νετρίνων.Η ερευνητική ομάδα του πειράματος νετρίνων CUPID-0 που χρησιμοποίησε έναν νέο τύπο ανιχνευτή, δημοσίευσε τα τελικά αποτελέσματα της έρευνας στο περιοδικό Physical Review με τίτλο ‘Final Result on the Neutrinoless Double Beta Decay of ⁸²Se with CUPID-0‘.

https://arxiv.org/abs/2206.05130

Τα πειράματα που ψάχνουν για τη διάσπαση β χωρίς νετρίνα σε διάφορα ισότοπα έχουν οριοθετήσει τον χρόνο ημιζωής τους να είναι μεγαλύτερος από 10²⁵ χρόνια. Ούτε στο πείραμα CUPID-0 ανιχνεύθηκαν διπλές διασπάσεις βήτα χωρίς νετρίνα. Όμως η μη ανίχνευση του CUPID-0 βελτιώνει -κατά έναν συντελεστή 20- τους περιορισμούς από προηγούμενους ανιχνευτές που χρησιμοποιούν το ίδιο υλικό πυρηνικής διάσπασης.Το πείραμα CUPID-0, που παραγματοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής (INFN) στο Gran Sasso στην Ιταλία, αναζήτησε διπλές διασπάσεις βήτα χωρίς νετρίνα στο σελήνιο-82. Αυτό το ισότοπο είναι γνωστό ότι διασπάται με «κανονική» διπλή βήτα διάσπαση, κατά την οποία δύο νετρόνια στον πυρήνα του μετατρέπονται σε δύο πρωτόνια, εκπέμποντας δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα του ηλεκτρονίου. Μετρήθηκε το φάσμα των διασπάσεων του σεληνίου-82 και αναζητήθηκε μια κορυφή που θα σηματοδοτούσε διπλές διασπάσεις βήτα χωρίς νετρίνα.

Για αυτές τις μετρήσεις, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν βολόμετρα σπινθηρισμού, μια τεχνολογία που αναπτύχθηκε πρόσφατα, που συνδυάζει αισθητήρες θερμότητας οι οποίοι μπορούν να αναγνωρίσουν μεμονωμένα συμβάντα διάσπασης και αισθητήρες φωτός που μπορούν να διακρίνουν τις βήτα διασπάσεις από άλλους τύπους πυρηνικών διασπάσεων.Παρά το γεγονός ότι ο 10 κιλών ανιχνευτής CUPID-0 είχε περίπου το ένα δέκατο του μεγέθους άλλων ανιχνευτών, το πείραμα πέτυχε μια σχετικά υψηλή ευαισθησία στις μετρήσεις.
Σύμφωνα με την Laura Cardani, μέλος της ομάδας CUPID-0: «Αυτό το αποτέλεσμα ανοίγει την πόρτα για τον διάδοχο του CUPID-0, τον CUPID, ο οποίος θα κλιμακώσει την τεχνολογία στο επίπεδο ανιχνευτή ενός τόνου».

https://physicsgg.me/2022/09/07/για-την-αγάπη-των-νετρίνων/

Ανιχνευτής νετρίνων εντόπισε νετρίνα που ταξίδεψαν από τα βάθη ενός γαλαξία (βίντεο)

Ξεκίνησε μια νέα εποχή για την αστρονομία νετρίνων.

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του ανιχνευτή νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική, οι φυσικοί αποκαλύπτουν μια κοσμική πηγή νετρίνων υψηλής ενέργειας.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση μιας κοσμικής πηγής νετρίνων που λάμπει πάνω από το παρατηρητήριο IceCube στον νότιο πόλο. Κάτω από τον πάγο οι φωτοανιχνευτές συλλαμβάνουν τα σήματα των νετρίνων.

Στον φαινομενικά ακίνδυνο σπειροειδή γαλαξία Messier 77 (M77 ή NGC 1068) που απέχει 47 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, ‘κρύβεται’ μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που προκαλεί την έντονη ακτινοβολία του περιβάλλοντος αερίου. Η ερευνητική ομάδα του τηλεσκοπίου νετρίνων IceCube αναφέρει την ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονται από αυτόν τον γαλαξία [Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068].

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395

Αν απόψε το βράδυ κοιτάξετε ψηλά, νότια-νοτιοανατολικά στον νυχτερινό ουρανό στις 11:50 μμ, θα δείτε σίγουρα την εντυπωσιακή προσέγγιση 3^ο του Δία στη Σελήνη (11 ημερών). Όμως, αν διαθέτετε κιάλια ή ένα ταπεινό τηλεσκόπιο, μπορείτε επιπλέον να εντοπίσετε – στην περιοχή που υποδεικνύουν οι τέσσερις παύλες στην εικόνα – τον σπειροειδή γαλαξία Messier 77 (M77).

Η παραπάνω δημοσίευση ανοίγει το δρόμο για την χρήση κοσμικών νετρίνων για αστροφυσικές μετρήσεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ερμηνεία της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας του σύμπαντος.Σύμφωνα με την Janet Conrad, μέλος της ερευνητικής ομάδας IceCube: «Αυτή η παρατήρηση σηματοδοτεί μια νέα εποχή στην αστρονομία νετρίνων. Αγωνιστήκαμε τόσο πολύ για να εντοπίσουμε με ακρίβεια πιθανές κοσμικές πηγές νετρίνων και τώρα έχουμε δει μία. Έχουμε σπάσει ένα φράγμα».Τα νετρίνα κοσμικής προέλευσης συγκαταλέγονται στα πιο ενεργητικά και πιο άφθονα σωματίδια του σύμπαντος. Αλληλεπιδρούν όμως ελάχιστα με την ύλη. Έτσι, τα κοσμικά νετρίνα που παράγονται από τους λεγόμενους κοσμικούς επιταχυντές μπορούν να διασχίσουν χωρίς να αλληλεπιδράσουν έτη φωτός κανονικής ύλης. Αυτή η μικρή πιθανότητα αλληλεπίδρασης είναι προβληματική όταν πρόκειται για την ανίχνευση νετρίνων, αφού μπορούν εύκολα να περάσουν μέσα από έναν ανιχνευτή χωρίς να αλληλεπιδράσουν με αυτόν. Όμως η έλλειψη αλληλεπιδράσεων είναι πλεονέκτημα όσον αφορά τον προσδιορισμό της διαδρομής που ακολουθούν τα κοσμικά νετρίνα – από την πηγή τους μέχρι τη Γη όπου ανιχνεύονται.Οι ερευνητές ελπίζουν πως ανατρέχοντας στις διαδρομές των κοσμικών νετρίνων, θα μπορέσουν να εντοπίσουν τους ‘επιταχυντές’ που τα παρήγαγαν. Αυτοί οι επιταχυντές αναμένεται να είναι πηγή όχι μόνο νετρίνων υψηλής ενέργειας, αλλά και κοσμικών ακτίνων. Οι εν λόγω κοσμικές ακτίνες έχουν τεράστιες ενέργειες—πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από τις ενέργειες των σωματιδίων που επιταχύνονται στους επιταχυντές σωματιδίων στα διάφορα εργαστήρια της Γης. Το πού (και πώς) η φύση δημιουργεί τέτοιες κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας δεν έχει ξεκαθαριστεί ακόμα. Τα νετρίνα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον εντοπισμό των κοσμικών επιταχυντών και να αποκαλύψουν επίσης την εσωτερική τους λειτουργία.Το Παρατηρητήριο νετρίνων IceCube βρίσκεται στην Ανταρκτική, όχι μακριά από το Νότιο Πόλο. Οι οπτικοί αισθητήρες του παρατηρητηρίου βρίσκονται σε βάθος 1,5 με 2 km κάτω από την επιφάνεια της Ανταρκτικής σε μια τρισδιάστατη διάταξη που περιλαμβάνει 1 km³ οπτικά διαφανούς πάγου. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με τον πυρήνα ενός ατόμου σε αυτόν τον πάγο, παράγονται φορτισμένα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια στη συνέχεια εκπέμπουν υπεριώδη και ‘μπλε’ φωτόνια που συλλέγουν οι αισθητήρες.Το 2018, η ερευνητική ομάδα του IceCube ανέφερε την ανίχνευση μιας έκλαμψης νετρίνων που φαινόταν να προέρχεται από ένα μπλέιζαρ (blazar), έναν πίδακα ακτίνων γάμμα που προκαλεί μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Αυτή η σύμπτωση μεταξύ ενός blazar και μιας έκλαμψης νετρίνων έχει αφήσει ανοιχτά πολλά ερωτήματα, καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα που προέρχονται από το blazar δεν ταιριάζουν με αυτά που προβλέπουν τα μοντέλα νετρίνων. Γιαυτό, οι ερευνητές ενδιαφέρονται να εντοπίσουν κι άλλες κοσμικές πηγές νετρίνων.Το IceCube βρήκε για πρώτη φορά ενδείξεις νετρίνων που προέρχονταν από τον γαλαξία M77 το 2020, όταν ανέφεραν πως είχαν βρει 63 νετρίνα που προέρχονταν από τον εν λόγω γαλαξία. Αλλά αυτό το αποτέλεσμα ήταν αρκετά χαμηλής στατιστικής σημασίας (2,9 σίγμα), δηλαδή το σήμα θα μπορούσε να ήταν μια τυχαία διακύμανση.Μια λεπτομερέστερη επανεπεξεργασία των δεδομένων απέδειξε ότι από τα μερικές χιλιάδες ανιχνευθέντα γεγονότα που οφείλονταν σε κοσμικά νετρίνα, τα 79 προέρχονται από τον M77, με στατιστική ακρίβεια 4,2 σίγμα. [Το εύρημα] δεν είναι ακόμη πάνω από το διάσημο επίπεδο «5 σίγμα», αλλά αν μπορούσαμε να επαναλάβουμε το ίδιο πείραμα πολλές, πολλές φορές, η πιθανότητα να λάβουμε αυτό το αποτέλεσμα τυχαία είναι μικρότερη από 1 στις 100.000.Υπάρχουν θεωρητικά μοντέλα σύμφωνα με τα οποία η μαύρη τρύπα του Μ77 θα μπορούσε να είναι ένας κοσμικός επιταχυντής που στο περιβάλλον της παράγει κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας και τα παρατηρούμενα νετρίνα. Όμως είναι ακόμα νωρίς για να ισχυριστεί κανείς ότι το IceCube επιβεβαίωσε τις σχετικές θεωρίες.

https://physicsgg.me/2022/11/04/ξεκίνησε-μια-νέα-εποχή-για-την-αστρονο/

Διείσδυση στον πυρήνα του Ήλιου με νετρίνα.

Μελετώντας τα νετρίνα που παράγονται στον Ήλιο ως προϊόντα μιας σειράς πυρηνικών αντιδράσεων (κύκλος CNO), οι φυσικοί επανεκτίμησαν την χημική σύνθεση του πυρήνα του Ήλιου

 Μια αναπαράσταση του κύκλου CNO. Η διαδικασία ξεκινά από στην πάνω αριστερή γωνία με έναν πυρήνα άνθρακα-12 που συντήκεται με έναν πυρήνα υδρογόνου (στην ουσία ένα πρωτόνιο p). Οι επόμενες αλληλεπιδράσεις παράγουν άλλους πυρήνες, με τελικό προϊόν να τον πυρήνα ηλίου-4. Στην πορεία παράγονται φωτόνια (γ), ποζιτρόνια (e⁺) και νετρίνα (ν).

Τα ηλιακά νετρίνα παράγονται ως προϊόντα των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στον πυρήνα του Ήλιου. Οι μετρήσεις των ηλιακών νετρίνων έχουν δώσει πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία και την πυκνότητα στο εσωτερικό του Ήλιου, αλλά υπάρχουν ακόμα αβεβαιότητες σχετικά με την χημική του σύσταση. Η ερευνητική ομάδα που χειρίζεται τον ανιχνευτή νετρίνων Borexino δημοσίευσε τα νέα αποτελέσματα των μετρήσεων ροής των νετρίνων που παράγονται από τον λεγόμενο κύκλο καύσης υδρογόνου CNO στον Ήλιο.

https://physicsgg.me/2012/11/24/κύκλος-cnο-ένας-μηχανισμός-πυρηνικής-σύ/

Αυτός ο κύκλος – ο οποίος απαιτεί την παρουσία άνθρακα (C), αζώτου (N) και οξυγόνου (O) – παράγει νετρίνα που ‘μεταφέρουν’ πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες του εσωτερικού του Ήλιου. Η μέτρηση αυτών των νετρίνων, παρέχει μια πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με αφθονία των στοιχείων στο εσωτερικό του Ήλιου, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην επίλυση μιας διαμάχης που μαστίζει την ηλιακή φυσική για περισσότερα από 20 χρόνια.Τα άστρα ξοδεύουν περίπου το 90% της ζωής τους συντήκοντας υδρογόνο σε ήλιο, παράγοντας και δύο νετρίνα σ’ αυτή τη διαδικασία. O κύκλος πρωτονίου – πρωτονίου (pp) 

https://physicsgg.me/2012/04/13/ο-κύκλος-σύντηξης-πρωτονίου-πρωτονίο/

– και ο κύκλος CNO είναι οι δύο βασικοί τρόποι με τους οποίους πργματιποιείται η αστρική σύντηξη. Το αν σε ένα άστρο κυριαρχεί ο κύκλος pp ή ο κύκλος CNO εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πυρήνα του, η οποία καθορίζεται κυρίως από τη μάζα του άστρου. Στον Ήλιο και παρόμοια άστρα χαμηλής μάζας, κύκλος pp παράγει σχεδόν όλη την πυρηνική ενέργεια, ενώ ο κύκλος CNO είναι η κύρια πηγή ενέργειας για άστρα με μεγαλύτερη μάζα. Ο κύκλος pp είναι μια σειρά πυρηνικών αντιδράσεων που δεν απαιτούν επιπλέον πυρήνες εκτός από το υδρογόνο ως καύσιμο. Αντίθετα, ο κύκλος CNO βασίζεται στην παρουσία πυρήνων C, N και O ως καταλύτες στην παραγωγή ηλίου. Στον Ήλιο, αυτή η καταλυτική διαδικασία εισάγει μια γραμμική εξάρτηση μεταξύ της ποσότητας των C, N και O και της ροής των νετρίνων από τον κύκλο CNO. Επομένως, τα νετρίνα CNO αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για την ανίχνευση της χημικής σύνθεσης στον πυρήνα του Ήλιου.Η γνώση της χημικής σύστασης του Ήλιου είναι σημαντική όχι μόνο για την ηλιακή φυσική αλλά για όλη την αστρονομία, καθώς η αφθονία των στοιχείων στον Ήλιο παρέχει έναν «χημικό κανόνα» για τη μέτρηση της στοιχειακής αφθονίας σε άλλα άστρα και νέφη αερίων. Υπήρξε, ωστόσο, μια μακροχρόνια διαμάχη γύρω από την ηλιακή αφθονία. Η κύρια τεχνική για τη μέτρηση της χημικής σύστασης του Ήλιου είναι η παρατήρηση των γραμμών απορρόφησης στο ηλιακό φάσμα. Οι πρώτες φασματοσκοπικές μελέτες βρήκαν σχετικά υψηλά επίπεδα στην περιεκτικότητα κρίσιμων στοιχείων όπως C, N και O, αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 2000 προηγμένες τεχνικές άρχισαν να μετρούν αφθονίες που ήταν 30 έως 40% χαμηλότερες σε σχέση με τις αρχικές εκτιμήσεις. Όταν αυτές οι χαμηλότερες τιμές αφθονίας χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο καθιερωμένο ηλιακό πρότυπο (SSM) – το θεωρητικό πρότυπο για τον υπολογισμό της δομής και της εξέλιξης του Ήλιου – οι προβλέψεις διαφωνούν σημαντικά με τις ηλιοσεισμολογικές μετρήσεις της εσωτερικής δομής του Ήλιου. Από την άλλη πλευρά, εισάγοντας ως δεδoμένα τις παλαιότερες ηλιακές αφθονίες – οι οποίες βασίζονται σε απλοϊκή και ξεπερασμένη μοντελοποίηση – οδηγούν σε προβλέψεις του SSM που είναι σε καλή συμφωνία με τα δεδομένα ηλιοσεισμολογίας.Γι αυτό το παράδοξο 20 ετών, που ονομάστηκε πρόβλημα ηλιακής αφθονίας,

https://arxiv.org/abs/1403.3097

δεν είχε βρεθεί μια ικανοποιητική λύση. Οι πιο πρόσφατες φασματοσκοπικές μετρήσεις φαίνεται να κινούνται προς την καλύτερη συμφωνία με τις παρατηρήσεις της ηλιοσεισμολογίας. Παρόλα αυτά, οι επιστήμονες που ασχολούνται με την φυσική του Ήλιου αναζητούν εδώ και καιρό έναν ανεξάρτητο τρόπο μέτρησης της χημικής αφθονίας του Ήλιου. Και εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι τα νετρίνα και τα νέα αποτελέσματα του ανιχνευτή Borexino.Ο ανιχνευτής Birexino βρίσκεται κάτω από ένα βουνό στο Gran Sasso στην Ιταλία για να προστατεύεται από την κοσμική ακτινοβολία και μετρά το ενεργειακό φάσμα της ροής των ηλιακών νετρίνων σε πολύ χαμηλές ενέργειες (περίπου 100 keV), διαχωρίζοντας τις επιμέρους συνεισφορές που προέρχονται από διαφορετικές πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του Ήλιου. Από την ανάλυση των δεδομένων της τελικής φάσης ΙΙΙ του πειράματος (Ιανουάριος 2017 έως Οκτώβριος 2021), μετρήθηκαν από τον ανιχνευτή 4,8 νετρίνα ανά ημέρα.Η μέτρηση της ροής νετρίνων από τον κύκλο CNO μπορεί να μετατραπεί σε μια μέτρηση της αφθονίας C και N συμπεριλαμβάνοντας τις μετρήσεις μιας άλλης ροής νετρίνων: εκείνη που προκύπτει από τη διάσπαση του βορίου-8, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Οι φυσικοί του Borexino χρησιμοποίησαν αυτή τη ροή για να προσδιορίσουν την θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου με ακρίβεια περίπου 0,1%. Η ομάδα χρησιμοποίησε τη θερμοκρασία συτή για να συσχετίσει την ροή των νετρίνων CNO και των αφθονιών C, N και O, καταλήγοντας στο ίδιο αποτέλεσμα με τις πρώτες μετρήσεις της αφθονίας των στοιχείων στον πυρήνα του Ήλιου. Χρησιμοποιώντας μόνο τις μετρήσεις νετρίνων, αυτή η μεθοδολογία προσφέρει έναν πραγματικά ανεξάρτητο προσδιορισμό της ηλιακής σύνθεσης με τον οποίο μπορούν να συγκριθούν οι φασματοσκοπικοί προσδιορισμοί, νέοι και παλιοί. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο Ήλιος έχει υψηλές αφθονίες C, N και O, σε αντίθεση με τις εκτιμήσεις των υπερσύγχρονων φασματοσκοπικών μελετών (εκτός από μία).

Οι αντιδράσεις διαμέσου των οποίων παράγονται νετρίνα στο εσωτερικό του Ήλιου. Ο πίνακας δίνει επίσης την ενέργεια και την ροή αυτών των νετρίνων που φτάνουν στη Γη

Η απόκλιση μεταξύ της αφθονίας του πυρήνα που υπολογίζεται από το Borexino και των επιφανειακών αφθονιών που μετρήθηκαν με φασματοσκοπικές μελέτες μπορεί να υποδηλώνει ότι η χημική σύνθεση του Ήλιου ποικίλλει ανάλογα με το βάθος. Μια τέτοια ανομοιόμορφη κατανομή στοιχείων θα μπορούσε να εξηγηθεί, για παράδειγμα, από το γεγονός ότι ο Ήλιος σχηματίστηκεσε ένα ανομοιογενές περιβάλλον ή από το ότι τα εξωτερικά στρώματα του Ήλιου εμπλουτίστηκαν σε ορισμένα στοιχεία από την συσσώρευση πλανητικού υλικού.Ο έλεγχος αυτών των υποθέσεων θα απαιτήσει πιο εκλεπτυσμένες μετρήσεις νετρίνων CNO. Δυστυχώς, το Borexino έκλεισε το 2021 και δεν υπάρχει προς το παρόν πείραμα που να μπορεί να παρατηρήσει ηλιακά νετρίνα σε αρκετά χαμηλές ενέργειες. Ωστόσο, το Borexino μας άφησε μια εντυπωσιακή κληρονομιά, καθώς οι μετρήσεις του για τη ροή νετρίων CNO και άλλων νετρίνων αντιπροσωπεύουν ορόσημα για μελλοντικά πειράματα νετρίνων. Η ομάδα του Borexino ανέπτυξε τεχνολογίες που είναι και θα είναι χρήσιμες σε άλλα πειράματα, όπως το πείραμα μετρίνων SNO+ στον Καναδά. Αναπτύχθηκαν επίσης τεχνικές ανάλυσης δεδομένων για αφαίρεση υποβάθρου που σίγουρα θα βρουν μελλοντικές εφαρμογές σε μελέτες νετρίνων καθώς και σε αναζητήσεις σκοτεινής ύλης. Δεν υπάρχουν ακόμη σχέδια για κάποιο συγκεκριμένο πείραμα ηλιακών νετρίνων, αλλά αν στηνόταν ένα πείραμα χρησιμοποιώντας την τεχνογνωσία που προσέφερε ο ανιχνευτής Borexino, θα είχε ένα λαμπρό μέλλον και θα παρείχε ανεκτίμητες πληροφορίες για τον Ήλιο.

https://physicsgg.me/2022/12/15/διείσδυση-στον-πυρήνα-του-ήλιου-με-νετ/