«Χρυσή εποχή» των νετρίνων

Σύνθετη φωτογραφία του υπολείμματος του σουπερνόβα Α Κασσιόπης, στην οποία φαίνονται τα θερμά αέρια από την έκρηξη του άστρου. Τα νετρίνα θεωρείται ότι παίζουν κρίσιμο ρόλο στην πυροδότηση της έκρηξης

               

Γιατί μετά από εκατομμύρια χρόνια που φώτιζε σχετικά σταθερά τη σκοτεινιά του Διαστήματος, ένα γιγαντιαίο άστρο ξαφνικά εκρήγνυται με λάμψη 100 δισεκατομμυρίων άστρων; Ποια εξωτικά ουράνια σώματα στα βάθη του Διαστήματος εκτοξεύουν σωματίδια με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχει παρατηρηθεί στο γνωστό σύμπαν; Τέτοια και άλλα μυστήρια βασανίζουν τους αστροφυσικούς και τους φυσικούς υποατομικών σωματιδίων επί δεκαετίες. Το κλειδί στην απάντηση όλων αυτών των μεγάλων αινιγμάτων είναι από μόνο του ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της φυσικής: Το νετρίνο.
Το σύμπαν που γνωρίζουμε βρίθει από αυτά τα παράξενα, σχεδόν χωρίς μάζα αδράνειας υποατομικά σωματίδια. Προερχόμενα από πυρηνικές αντιδράσεις μέσα στα άστρα, από τη ραδιενεργό διάσπαση ασταθών ατόμων (φυσική ραδιενέργεια) και άλλες πυρηνικές αντιδράσεις, τρισεκατομμύρια νετρίνα ταξιδεύουν κάθε στιγμή τόσο στο διαστημικό κενό, όσο και μέσα από τα άστρα και τους πλανήτες, καθώς αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την υπόλοιπη ύλη.
Τα νετρίνα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, γι' αυτό δεν αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ούτε επηρεάζονται από την αποκαλούμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη, που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα των ατόμων. Είναι τα μόνα πραγματικά στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που δεν έχουν φορτίο (τα νετρόνια δεν είναι στοιχειώδη).
Τώρα η φυσική των νετρίνων μπαίνει στη χρυσή της εποχή. Τα ερευνητικά έργα που αναφέρονται στη σελίδα αυτή, είναι ένα μέρος μόνο από τις προσπάθειες που βρίσκονται σε εξέλιξη σχετικά με τη μελέτη των νετρίνων. Οι επιστήμονες ευελπιστούν ότι θα οδηγήσουν σε βαθύτερη κατανόηση της φυσικής πραγματικότητας σε πολλά επίπεδα.

Τρισδιάστατο μοντέλο σε υπερυπολογιστή της θερμότητας που συσσωρεύεται σε μια έκρηξη σουπερνόβα, που πυροδοτήθηκε από νετρίνα

               

Βλέποντας μέσα στ' άστρα

Κάπου μέσα στο ορατό σύμπαν, ένα γιγαντιαίο άστρο εκρήγνυται κάθε δευτερόλεπτο ως υπερκαινοφανής αστέρας, αυτοκαταστρεφόμενο μέσα σε λίγο χρόνο με ισχύ ίση με την ισχύ του συνόλου των άστρων ενός γαλαξία. Πενήντα χρόνια μελέτης πάνω στους υπερκαινοφανείς δεν έχουν δώσει ακόμα την απάντηση για την ακριβή αιτία της έκρηξης.
Ορισμένοι αστροφυσικοί, όπως ο Χ. Τζάνκα, του ινστιτούτου Μαξ Πλανκ στη Γερμανία, θεωρούν ότι τις εκρήξεις αυτές πυροδοτεί η απότομη έκλυση τεράστιων ποσοτήτων νετρίνων από τη μετατροπή των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε νετρόνια. Χρησιμοποιώντας σύγχρονους πανίσχυρους υπερυπολογιστές προσπαθούν τώρα να προσομοιώσουν το φαινόμενο και να δουν αν πράγματι τα νετρίνα παίζουν τον κρίσιμο ρόλο, καθώς εγκλωβίζονται για λίγο μέσα στην υπέρπυκνη ύλη, του υπό δημιουργία αστέρα νετρονίων. Ακόμα και μ' αυτά τα μηχανήματα, μόνο ένα δευτερόλεπτο προσομοίωσης της εξέλιξης αμέσως μετά την εξάντληση των καυσίμων του μεγάλου άστρου και την κατάρρευσή του υπό την επίδραση της βαρύτητας, απαιτεί 3 χρόνια ανελλιπούς αποκλειστικής χρήσης των υπερυπολογιστών!

Ο ανιχνευτής του Σούπερ-Κ περιέχει 13.000 φωτοπολλαπλασιαστές που επιτρέπουν την ανίχνευση ακόμα και του μικρότερου ίχνους φωτός   

                   

Ανιχνευτής υπερκαινοφανών και μαύρων τρυπών

Κατασκευασμένο σε ένα παλιό ορυχείο ψευδαργύρου στην Ιαπωνία, το πείραμα Σούπερ-Καμιοκάντε (Σούπερ-Κ), αναζητεί από το 1996 στιγμιαίες φωτεινές λάμψεις σε μια δεξαμενή με 50.000 τόνους αποσταγμένο νερό. Οταν ένα χαμηλής ενέργειας νετρίνο ή αντινετρίνο από έκρηξη υπερκαινοφανούς συγκρουστεί με κάποιο μόριο νερού της δεξαμενής, η ακτίνα φωτός που εκπέμπεται καταγράφεται από περίπου 100 από τους 13.000 φωτοπολλαπλασιαστές του Σούπερ-Κ, που μετατρέπουν ακόμα και ένα φωτόνιο σε καταγράψιμη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Για να επικεντρώσουν στα νετρίνα που προέρχονται από τις εκρήξεις σουπερνόβα, οι επιστήμονες σκοπεύουν να προσθέσουν στο νερό 50 τόνους από το στοιχείο γαδολίνιο (σπάνια γαία). Το γαδολίνιο θα απορροφά μέσα σε 20 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου τα νετρόνια που παράγονται από τις αλληλεπιδράσεις υψηλής ενέργειας νετρίνων με τα άτομα του νερού, παράγοντας με τη σειρά του ακτίνες γάμμα, που επίσης ανιχνεύουν οι φωτοπολλαπλασιαστές. Αυτή η διπλή αιχμή θα είναι η χαρακτηριστική υπογραφή των νετρίνων που ενδιαφέρουν. Οι καταγραφές νετρίνων από τη φυσική ραδιενέργεια του εδάφους και τη σύγκρουση των κοσμικών ακτίνων με άτομα της ατμόσφαιρας θα φιλτράρονται. Ετσι, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να εκτιμήσουν με αρκετή βεβαιότητα τη συνολική ενέργεια και τις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται σε μια έκρηξη υπερκαινοφανούς. Αν το Σούπερ-Κ καταγράψει απότομη διακοπή της ροής νετρίνων από κάποια διαστημική πηγή, αυτό θα σημαίνει ότι εκείνη τη στιγμή δημιουργήθηκε μια μαύρη τρύπα, καθώς από την έλξη της δεν ξεφεύγει τίποτα, ούτε τα νετρίνα.

Υπολογιστές στο Εργαστήριο ΠαγοΚύβου στην Ανταρκτική αναλύουν τα δεδομένα από τις καταγραφές του υπόγειου ανιχνευτή νετρίνων

          

Τηλεσκόπιο από πάγο

Οι επιστήμονες που θέλουν να ανιχνεύσουν νετρίνα πρέπει να κατασκευάσουν τους ανιχνευτές τους βαθιά κάτω από το έδαφος ή την επιφάνεια του νερού, ώστε να φιλτράρονται οι κοσμικές ακτίνες που συνεχώς βομβαρδίζουν τη Γη. Μια από τις ερευνητικές ομάδες αντιλήφθηκε ότι κατάλληλο μέρος θα μπορούσε να είναι η Ανταρκτική, που σε πολλά σημεία έχει παγοκάλυμμα με πάχος μεγαλύτερο του χιλιομέτρου.
Οταν ένα νετρίνο τύχει να συγκρουστεί με τον πυρήνα κάποιου ατόμου των μορίων νερού του πάγου, τότε απελευθερώνεται ένα ανεπαίσθητο φωτεινό ίχνος. Αυτό το ίχνος μπορεί να ανιχνευτεί από τον ΠαγοΚύβο, ένα κατ' ουσίαν υπόγειο τηλεσκόπιο. Το 2012, οι ερευνητές εντόπισαν δύο νετρίνα με ενέργεια 1.000 φορές περισσότερη από την ενέργεια οποιουδήποτε νετρίνου είχε ανιχνευτεί έως τότε στη Γη. Οι μετρήσεις του 2013 έδωσαν άλλα 9, από τα οποία το ένα είχε ενέργεια διπλάσια από αυτή των αρχικών. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι μερικά από τα νετρίνα πρέπει να προέρχονται από πηγές έξω από το Γαλαξία, ενδεχομένως από εξαιρετικά μεγάλες μαύρες τρύπες, ή γαλαξίες στους οποίους παρουσιάζεται έντονη αστρογένεση.

Τμήμα του Παρατηρητηρίου Εμπλουτισμένου Ξένου ελέγχεται κατά την κατασκευή του

             

Αναζητώντας τη ... μη εμφάνιση του νετρίνου

Πολλά σημαντικά πειράματα που γίνονται σε όλο τον κόσμο για τα νετρίνα στοχεύουν να συλλάβουν το σωματίδιο - «φάντασμα» σε μια περίσταση που δεν κάνει την εμφάνισή του, ενώ ήταν αναμενόμενο. Στη ραδιενεργή μετατροπή, που αποκαλείται βήτα διάσπαση, ένα νετρόνιο (ηλεκτρικά ουδέτερο) στον πυρήνα ενός ασταθούς ατόμου, αυθόρμητα μετατρέπεται σε πρωτόνιο (θετικά φορτισμένο) και ηλεκτρόνιο (αρνητικά φορτισμένο) εκπέμποντας και ένα αντινετρίνο. Το αντινετρίνο είναι το αντίστοιχο του νετρίνου στην αντιύλη.
Στη διπλή βήτα διάσπαση η πυρηνική αλληλεπίδραση διπλασιάζεται. Δύο νετρόνια μετατρέπονται ταυτόχρονα σε ζεύγη πρωτονίων - ηλεκτρονίων και εκπέμπουν δύο αντινετρόνια. Ομως, όπως υποπτεύονται ορισμένοι επιστήμονες, σε κάποιες περιπτώσεις τα αντινετρόνια δεν κάνουν την εμφάνισή τους, πράγμα που μπορεί να συμβαίνει μόνο αν τα νετρίνα είναι αντισωμάτια του εαυτού τους και γι' αυτό το αντινετρίνο που εκπέμπεται από τη διάσπαση του ενός νετρονίου απορροφάται ως νετρίνο από το άλλο νετρόνιο. Αν το φαινόμενο επιβεβαιωθεί, τότε θα αμφισβητηθεί το Καθιερωμένο Μοντέλο για τα υποατομικά σωματίδια, που δεν προβλέπει τέτοια συμπεριφορά, ούτε και ύπαρξη μάζας αδράνειας για τα νετρίνα (όπως αποδείχτηκε τα νετρίνα έχουν μάζα, έστω και ελάχιστη). Ενα από τα πειράματα που γίνονται για την ανίχνευση διπλής βήτα διάσπασης χωρίς αντινετρίνα είναι το αμερικανικό Παρατηρητήριο Εμπλουτισμένου Ξένου (σ.σ. το ξένο είναι ευγενές αέριο).

                                                              Επιμέλεια:

                                                   Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
                                                         Πηγή: «Discover»
                                                    (Ριζοσπάστης 14-9-2014)