Άρθρα

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 (ν_e), νετρίνα του μιονίου (ν_μ) και νετρίνα του ταυ (ν_τ). 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 ν_e, ν_μ και ν_τ 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 ν_e, ν_μ και ν_τ. Δεν γνωρίζουμε τις απόλυτες τιμές των μαζών, αλλά έχουν μετρηθεί οι διαφορές των τετραγώνων τους: και . 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 , είναι λογικό να κάνουμε την προσέγγιση .

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 (βλέπε παραπάνω σχήμα) 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 m₃2.

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.

Περισσότερες Πληροφορίες: https://www.symmetrymagazine.org/article/which-neutrino-is-the-heaviest