Cameron Merritt
0 
4542
1299
Miluji dobré tajemství, ať se ukáže, že to sluha udělal, nebo jestli to byl plukovník Hořčice v knihovně se svícnem.
Ale ještě více miluji vědecká tajemství.
Vědci, kteří provádějí výzkum v laboratoři Fermi National Accelerator Laboratory nebo Fermilab, nedávno oznámili měření, které je skutečným hlavolamem. Zahrnuje subatomickou částici zvanou neutrino, která je duchem mikrokosmu, schopná projít Zemi bez interakce. A to předtím, než začneme mluvit o zvláštních věcech.
Nedávné měření, provedené ve spolupráci vědců s názvem MiniBooNE, by mohlo ohlašovat možný objev nového druhu neutrina, který by mohl být zdrojem temné hmoty - jednoho z nejnaléhavějších hlavolamů moderní astronomie. Abychom pochopili, jak to všechno spolu visí, musíte znát historii neutrin, což je fascinující příběh s kroucením a zatáčkami, díky nimž se hlava Agathy Christie otáčí. [18 největších nevyřešených záhad ve fyzice]
Rakouský fyzik Wolfgang Pauli poprvé navrhl existenci neutrinos v roce 1930. Nyní víme, že neutrinos interagují pouze prostřednictvím toho, co se bezvýznamně nazývá „slabá síla“, což je nejslabší ze sil, která má jakýkoli dopad na vzdálenosti menší než atomy. Neutrina jsou vytvářena v jaderných reakcích a v urychlovačích částic.
V roce 1956 tým fyziků vedený Američany Clyde Cowanem a Frederickem Reinesem poprvé pozoroval strašidelné částice. Pro jejich objev, Reines sdílel 1995 Nobelovy ceny ve fyzice. (Cowan zemřel před udělením ceny.)
V průběhu desetiletí se ukázalo, že existují tři různé druhy neutrin, nyní nazývané příchutě. Každá neutrinová chuť je odlišná, jako vanilková, jahodová a čokoládová neapolská zmrzlina vašeho dětství. Skutečné příchutě neutrin přicházejí z jejich spojení s jinými subatomickými částicemi. Tam je elektron neutrino, muon neutrino a tau neutrino, který být spojený s elektronem, muon a tau, příslušně. Elektron je známá částice z vnitřních atomů a mion a tau jsou baculatější a nestabilnější sestřenice elektronu.
Každá chuť neutrina je zřetelná a nikdy se nesmí setkat twain (nebo v tomto případě tři). Nebo to tak vypadalo.
V šedesátých a sedmdesátých letech vyvstávalo tajemství… neutrální záhada. Američtí vědci Raymond Davis a John Bahcall se pokusili vypočítat a změřit rychlost neutrin (konkrétně elektronových neutrin) produkovaných v největším jaderném reaktoru kolem: slunce. Když byly předpovědi a měření porovnány, nesouhlasili. Experimentátor Davis našel jen asi třetinu tolik elektronových neutrin, jak teoretik Bahcall předpovídal.
Tento konkrétní experiment byl úžasně úžasný. Davis použil k detekci neutrinů nádobu o velikosti olympijského bazénu plnou standardní tekutiny pro chemické čištění. Představa byla taková, že když neutrina ze slunce zasáhla atomy chloru v kapalině pro chemické čištění, tyto atomy se změnily na argon. Davis počkal pár týdnů a pak se pokusil extrahovat argon. Očekával něco jako 10 atomů argonu, ale našel jen tři. Ano, čtete to správně ... jen tři atomy.
Kromě experimentálních obtíží byl výpočet, který provedl Bahcall, náročný a extrémně citlivý na teplotu jádra slunce. Malá, nepatrná změna teploty slunce změnila předpověď počtu neutrin, která by měla být vyrobena.
Další experimenty potvrdily nesrovnalosti, které si Bahcall a Davis všimli, ale vzhledem k obtížím toho, co se pokusili udělat, jsem si byl docela jistý, že jeden z nich udělal chybu. Výpočty i měření byly tak neuvěřitelně těžké, aby se stáhly. Ale mýlil jsem se.
Další nesrovnalosti zmatení vědci. Neutrina jsou produkována v zemské atmosféře, když kosmické paprsky z kosmického prostoru dopadají do vzduchu, který všichni dýcháme. Vědci vědí s velkou jistotou, že když k tomu dojde, jsou mionová a elektronová neutrina vyráběna v poměru 2 ku 1. Přesto, když byly tyto neutriny měřeny, byly mionové a elektronové neutriny nalezeny v poměru 1 ku 1. Ještě jednou, neutrinos zmatené fyziky.
Záhada neutrin ze slunce a kosmických paprsků z vesmíru byla vyřešena v roce 1998, kdy vědci v Japonsku použili obrovský podzemní tank s 50 000 tunami vody ke studiu poměru neutronů mionů a elektronů vytvořených v atmosféře 12 mil nad tankem , ve srovnání se stejným poměrem vytvořeným na druhé straně planety, nebo asi 8000 mil daleko. Tím, že použili tento chytrý přístup, zjistili, že neutrina mění svou identitu, když cestují. Například v hlavolam Davis-Bahcall se elektronová neutrina ze slunce mění na další dvě příchutě. [Images: Inside the World's Physics Labs]
Tento jev, který mění chutě neutrin, stejně jako vanilka, která se stává jahodou nebo čokoládou, se nazývá neutrino oscilace. Je to proto, že neutrina nezmění pouze svou identitu a nezastaví se. Místo toho, pokud jim bude dáno dost času, si tři druhy neutrin neustále a znovu vyměňují své identity. Vysvětlení oscilace neutrinů bylo potvrzeno a dále objasněno v roce 2001 experimentem v Sudbury v Ontariu.
Pokud jste zjistili, že tento příběh je závratný, teprve začínáme. V průběhu let generovali neutrinos během Sweeps Week více překvapení než opera mýdla.
Se zavedeným fenoménem neutrino oscilace to mohli vědci studovat pomocí urychlovačů částic. Mohli vytvořit paprsky neutrin a charakterizovat, jak rychle morfují z jedné chuti na druhou. Ve skutečnosti existuje celé odvětví neutrino-oscilace, kde jevy po celém světě studují akcelerátory. Vlajkovou laboratoří pro studium neutrin je můj vlastní Fermilab.
Čtvrtá příchuť?
Studie v roce 2001 provedená v laboratoři Los Alamos ve spolupráci s názvem LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) vynikla. Jejich měření nezapadalo do akceptovaného obrázku tří různých příchutí neutrin. Aby své výsledky dali smysl, potřebovali hypotézu na čtvrtý typ neutrina. A to nebyl obyčejný druh neutrina. Říká se tomu „sterilní neutrino“, což znamená, že na rozdíl od běžných neutrin necítil slabou sílu. Účastnil se však oscilace neutrinů… morfování neutrinových příchutí. A bylo to pravděpodobně těžké, což znamená, že to byl ideální kandidát na temnou hmotu.
To by bylo skvělé pozorování, ale mnoho jiných experimentů s neutriny s nimi nesouhlasilo. Ve skutečnosti byl výsledek LSND odlehlý - tak zvláštní, že se obvykle nepoužíval při metaanalýze neutrinové fyziky..
A nyní se dostáváme k poslednímu měření experimentem MiniBooNE ve Fermilab. Název pochází z „BOOster Neutrino Experiment“. K výrobě neutrin se používá jeden z urychlovačů Fermilab zvaný Booster. “Mini” vychází ze skutečnosti, že když byl postaven, předpokládalo se větší experimentování.
Vědci MiniBooNE zjistili, že jejich data skutečně podporovala měření LSND, a dále, pokud kombinují svá data s daty LSND, statistická síla měření je dostatečně silná, aby si vyžádala objev… možná sterilních neutrin.
Pak však existuje skutečnost, že s experimentem LSND (a nyní MiniBooNE) zcela definitivně nesouhlasí mnoho dalších experimentů. Co je s tím??
To je, jak říkají, dobrá otázka. Je možné, že vědci LSND a MiniBooNE jednoduše našli něco, co ostatní experimenty chyběly. Nebo by to mohlo být tak, že LSND a MiniBooNE udělaly nesprávný objev. Nebo by to mohlo být tak, že tyto dva konkrétní experimentální přístroje jsou citlivé tak, že ostatní nejsou. Jedním důležitým parametrem je, že vzdálenost mezi tím, kde byly neutrina vytvořena a kde byla detekována, byla relativně krátká - jen několik stovek metrů, nebo délka aparátů několika fotbalových hřišť. Neutrina si čas oscilují, a pokud se pohybují, promítá se to do vzdálenosti. Mnoho experimentů s oscilací neutrino má detektory umístěné pár nebo mnoho stovek mil daleko. Možná, že důležitá oscilace nastane rychle, proto je nezbytný blízký detektor.
Komplikuje se problém, že spolupráce LSND a MiniBooNE, i když jsou od sebe odděleny více než deset let, zahrnovala některé stejné jedince. Je tedy možné, že opakují stejnou chybu. Nebo možná projevují stejnou brilanci. Je těžké si být jistý.
Jak to vyřešíme? Jak zjistíme, kdo má pravdu? Tohle je věda a ve vědě, měření a replikace vyhrávají argumenty.
A to je dobrá zpráva. Vzhledem k tomu, že se společnost Fermilab rozhodla rozvíjet svou schopnost studovat neutrina, ne jeden, ale tři různé experimenty s neutrinem buď fungují, nebo jsou ve výstavbě, s krátkými vzdálenostmi mezi místem vzniku a detekce neutrin. Jeden se nazývá MicroBooNE (menší verze MiniBooNE as jinou technologií), druhý je ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) a třetí je SBN (Short Baseline Neutrino). Všechny tyto experimenty jsou z hlediska technických schopností mnohem lepší než MiniBooNE a LSND, a proto vědci doufají, že v časovém horizontu několika let učiní definitivní prohlášení k tématu sterilních neutrin..
Jaká bude konečná odpověď? Nevím - to je věc výzkumu ... jste úplně zmatení, dokud to nevíte. Ale vím, že je to fascinující tajemství, s více než jen podílem překvapení a getchas. Jsem si jist, že i Sherlock Holmes by byl zmatený.
Původně publikováno dne .
Don Lincoln přispěl tento článek do Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.