Neutrina należą do najliczniejszych cząstek we Wszechświecie. Są przy tym jednymi z najtrudniejszych do uchwycenia. Dotychczas obserwowano cząstki te pochodzące ze Słońca, supernowych i innych obiektów kosmicznych, ale neutrina powinny pojawić się także w akceleratorach cząstek. Jednak fizycy nie byli w stanie potwierdzić obserwacji neutrin w swoich zderzaczach, aż do teraz.
Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Jednak naukowcy nie wiedzą o nich zbyt wiele. To dlatego, że cząstki te bardzo słabo oddziałują z materią i niezwykle trudno je badać. Na tyle słabo, że często określa się je mianem "cząstek-duchów".
Neutrina mają niebywałą zdolność przenikania. Chociażby planeta taka jak Ziemia nie stanowi dla nich niemal żadnej przeszkody. Uczeni szacują, że przez jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety zwróconej ku Słońcu co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin. Cząstki te w ogromnej obfitości i w każdej sekundzie przeszywają nasze ciała, a my zwykle nie mamy o tym pojęcia.
Pierwsze spekulacje dotyczące istnienia neutrin pojawiły się jeszcze w latach 30. ubiegłego wieku, jednak ich pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła niemal ćwierć wieku później. Z biegiem badań odkryto, że istniejąc przynajmniej trzy rodzaje tych cząstek – neutrina elektronowe, mionowe i taonowe i każda z nich ma swój odpowiednik w świecie antymaterii, czyli każda ma swoją antycząstkę. Cząstki te nie mają ładunku elektrycznego i powstają w reakcjach jądrowych we wnętrzach gwiazd, a także w reaktorach na Ziemi.
Chociaż szacuje się, że są to jedne z najliczniejszych cząstek we Wszechświecie, ich obserwacja okazała się jak dotąd dużym wyzwaniem, ponieważ prawdopodobieństwo, że wejdą w interakcję z inną materią, jest niezwykle niskie. Aby wykryć neutrina, fizycy używają detektorów i zaawansowanego sprzętu do badania znanych źródeł neutrin. Ich wysiłki ostatecznie doprowadziły do obserwacji neutrin pochodzących ze Słońca, promieniowania kosmicznego, supernowych i innych obiektów kosmicznych, a także z reaktorów jądrowych.
Od dawna celem była też obserwacja neutrin wewnątrz akceleratorów cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów. Chociaż fizycy byli pewni, że reakcje zachodzące, gdy cząstki są przyspieszane do prędkości bliskiej prędkości światła i zderzają się ze sobą, wytwarzają neutrina, uchwycenie na to dowodów było zupełnie inną sprawą.
Teraz dwa duże zespoły badawcze - FASER (Forward Search Experiment) i SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, po raz pierwszy zaobserwowały neutrina, korzystając z detektorów znajdujących się w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN w Szwajcarii. Obserwacje te mogą otworzyć nowe, ważne możliwości badań eksperymentalnych w zakresie fizyki cząstek elementarnych. Wyniki obserwacji opublikowano w dwóch artykułach czasopiśmie Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031801; DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031802).
- Neutrina powstają w dużych ilościach w zderzaczach protonów, takich jak LHC – powiedział Cristovao Vilela z SND@LHC Collaboration. - Jednakże aż do teraz tych neutrin nigdy nie zaobserwowano bezpośrednio. Bardzo słabe oddziaływanie neutrin z innymi cząstkami sprawia, że ich wykrycie jest bardzo trudne i z tego powodu są one najsłabiej zbadanymi cząstkami w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych – dodał.
- Zderzacze cząstek istnieją od ponad 50 lat i wykryły każdą znaną cząstkę z wyjątkiem neutrin – powiedział Jonathan Lee Feng z FASER Collaboration. - Jednocześnie za każdym razem, gdy odkrywane są neutrina z nowego źródła, niezależnie od tego, czy jest to reaktor jądrowy, Słońce, Ziemia czy supernowa, dowiadujemy się czegoś niezwykle ważnego o Wszechświecie. W ramach naszej ostatniej pracy po raz pierwszy wykryliśmy neutrina powstające w zderzaczu cząstek – dodał.
Neutrina wykryte przez Fenga i jego kolegów mają najwyższą energię, jaką kiedykolwiek zarejestrowano w środowisku laboratoryjnym. Mogą zatem utorować drogę do dogłębnych badań właściwości neutrin, a także poszukiwań innych nieuchwytnych cząstek.
Prace przeprowadzone w ramach projektów FASER i SND@LHC wnoszą znaczący wkład w trwające badania eksperymentalne w zakresie fizyki cząstek elementarnych i mogą wkrótce utorować drogę do dalszych przełomów w tej dziedzinie. Teraz, gdy potwierdzono obecność neutrin w LHC, w ramach tych dwóch eksperymentów kontynuowane będzie gromadzenie danych, co potencjalnie doprowadzi do bardziej znaczących obserwacji i lepszego poznania natury neutrin.
- Będziemy używać detektora FASER przez wiele lat i spodziewamy się zebrać co najmniej 10 razy więcej danych. Szczególnie ekscytującym faktem jest to, że w tym początkowym odkryciu wykorzystano tylko część detektora. W nadchodzących latach będziemy mogli wykorzystać całą moc FASERA do niezwykle szczegółowego odwzorowania interakcji neutrin o wysokiej energii – dodał Feng.
Źródło: IFLScience, Phys.org, fot. Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
