Karališkoji Švedijos mokslų akademija vakar paskelbė Nobelio premijos fizikos srityje laureatus. Jų atradimo esmę ir svarbą mokslui komentuoja Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Teorinės fizikos katedros docentas Thomas Gajdosikas ir doktorantas Vytautas Dūdėnas.

2015 m. Nobelio fizikos premija už neutrino osciliacijų atradimą buvo paskirta Japonijos mokslininkui Takaaki Kajita iš Super-Kamiokande neutrinų observatorijos ir Kanados mokslininkui Arthurui B. McDonaldui iš Sadberio (Sudbury) neutrinų observatorijos. Jų atradimai nebuvo pavienių žmonių, bet didžiulių neutrinų observatorijų laimėjimas.

Super-Kamiokande observatorija („SuperK“) savo eksperimentui naudoja išgrynintu vandeniu pripildytą milžinišką (50 milijonų litrų) talpą, kurios sienose pritaisyta daugybė (11000) didžiausio jautrumo šviesos jutiklių. Dėl šių jutiklių galima pamatyti elektronus, kurie sukuriami reakcijose tarp neutrinų ir vandens molekulių. Tam, kad būtų sumažinta kosminės spinduliuotės įtaka, šis detektorius yra 1 kilometro gylyje Kamiokos kasykloje.

Sudbury neutrinų observatorija (SNO) taip pat naudoja vandenį, tačiau ne įprastinį, o sunkųjį. Sunkusis vanduo sudaromas bent vienam vandenilio atomui vandens molekulėje prijungus papildomą neutroną. Tai leidžia stebėti dar vieną reakciją, kai neutrinas, sąveikaudamas su pasunkintu branduoliu, atskiria iš jo neutroną, kurį galima užfiksuoti detektoriuje. Ši specifika leidžia stebėti reakcijas, kuriose nedalyvauja jokia krūvį turinti dalelė. Dėl tų pačių priežasčių kaip ir „SuperK“ eksperimentas, t. y. dėl kosminės spinduliuotės efektų sumažinimo, SNO pastatytas 2 kilometrų gylyje po žeme.

Kas yra neutrinai?

Šiandien mūsų pasaulio suvokimas apie mažiausias jo sudedamąsias dalis remiasi dalelių fizikos standartiniu modeliu. Standartinis modelis gali paaiškinti, kodėl protonai ir neutronai yra stabilūs ir kaip jie su elektronu suformuoja atomą, taigi visą mus supančią aplinką. Be to, standartiniame modelyje yra daugybė nestabilių dalelių, kurių dažniausiai neužtinkame, tačiau be jų materija, tokia, kokią dabar matome, negalėtų egzistuoti. Vienintelė dalelė, kuri yra stabili, tačiau labai sunkiai užfiksuojama, yra neutrinas. Taip yra todėl, kad jie beveik su niekuo nesąveikauja, tačiau kaip tik todėl mes nejaučiame, kad mūsų kūnus kiekvieną sekundę perskrodžia tūkstančiai milijardų neutrinų.

Pirmą kartą mokslininkų bendruomenei neutrinus pristatė Wolfgangas Pauli savo laiške „Gerbiamieji radioaktyvūs ponios ir ponai“ 1930 m. Jame teigiama, kad beta skilimo metu energija pasidalija tarp elektrono ir neutrino. Šis teiginys leido paaiškinti pagal tuometines fizikos žinias netikėtą elektrono spektrą radioaktyviuosiuose beta skilimuose. Vėliau, atradus miuoną (1936 m.) ir tau leptoną (1975 m.), kurių visos savybės, išskyrus masę, yra tokios pat kaip elektrono, analogiškuose procesuose veikiantys neutrinai buvo pavadinti atitinkamai miuoniniais ir tau neutrinais.

Taigi trys neutrinai buvo įtraukti į standartinį modelį kaip trys masės neturinčios dalelės, kurių tipas nusakomas reakcijoje dalyvavusios krūvinės dalelės atžvilgiu (elektroninis, miuoninis arba tau neutrinas). Jeigu jų masės būtų nelygios nuliui, neutrinus galima būtų charakterizuoti ir pagal jų masę, tačiau joks efektas, iš kurio paaiškėtų nenulinė neutrinų masė, ilgą laiką nebuvo užfiksuotas.

Neutrino osciliacijomis yra vadinamas toks efektas, kai laisvai erdvėje keliaujantis neutrinas keičia savo tipą (pvz., iš elektroninio į miuoninį). Pagal kvantinę mechaniką neutrinų masė negali būti užfiksuota tuo pat metu kaip ir tipas. Taigi neutrino osciliacijų atradimas yra kvantinio efekto, pasireiškiančio planetos dydžio erdvėse, atradimas, verčiantis pergalvoti prielaidą apie neutrinų nulinę masę. Ši Nobelio premija primena, kad bandant suprasti gamtą kvantinė mechanika negali būti ignoruojama, kai kuriais atvejais netgi tada, kai tiriami efektai vyksta žemės dydžio plote.