Τα νετρίνα υπάρχουν από την αυγή του σύμπαντος. Συνυπήρχαν με τους προϊστορικούς ανθρώπους, τους δεινόσαυρους και τα πρώτα ίχνη ζωής στη Γη. Η γέννηση του ηλιακού μας συστήματος, η διαμόρφωση του κοσμικού «σκελετού» του σύμπαντος, ακόμη και οι στιγμές αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη — όλα ήταν πλημμυρισμένα από αυτά τα ελαφριά υποατομικά σωματίδια που ονομάσαμε νετρίνα.
Κι όμως, μόλις τα τελευταία 70 χρόνια γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι υπάρχουν. Το 1956, οι φυσικοί Κλάιντ Κάουαν και Φρέντερικ Ράινς επιβεβαίωσαν πειραματικά την ύπαρξή τους.
Τα νετρίνα δεν είναι καθόλου σπάνια. Αντίθετα, αποτελούν τα πιο άφθονα σωματίδια με μάζα στο σύμπαν, ξεπερνώντας τα πρωτόνια περίπου κατά ένα δισεκατομμύριο προς ένα. Παρ’ όλα αυτά, παραμένουν βαθιά μυστηριώδη. Δεν υπάρχει μόνο ένα είδος νετρίνου, αλλά τρία — ηλεκτρονικό, μιονικό και ταυ — μαζί με τα αντίστοιχα αντισωματίδιά τους. Όλοι αυτοί οι τύποι αναφέρονται συλλογικά ως νετρίνα.
Πολλά σωματίδια της φυσικής έχουν ανοιχτά ερωτήματα, αλλά, όπως λέει η φυσικός Νταϊάνα Πάρνο, “για τα νετρίνα, ο κατάλογος των άγνωστων είναι πιο βαθύς και πιο θεμελιώδης από οτιδήποτε άλλος”. Δεν ξέρουμε αν υπάρχουν επιπλέον, κρυφά είδη νετρίνων. Κάποιοι επιστήμονες μάλιστα αναρωτιούνται αν τα νετρίνα εξηγούν γιατί το σύμπαν αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη, με ελάχιστη αντι-ύλη.
Το πιο μεγάλο ερώτημα απ’ όλα είναι η μάζα τους. Γνωρίζουμε ότι δεν είναι μηδενική, αλλά είναι απίστευτα μικρή — τόσο μικρή που η μέτρησή της μοιάζει σχεδόν αδύνατη.
Η δυσκολία αυξάνεται επειδή τα νετρίνα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και αλληλεπιδρούν με την ύλη μόνο μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Αυτό ανάγκασε τους πρώτους ερευνητές να επινοήσουν εξαιρετικά ευρηματικές μεθόδους για να τα εντοπίσουν. Από τότε, η μελέτη των νετρίνων είναι συνώνυμη με την επιστημονική επινοητικότητα.
Η ιστορία ξεκινά το 1930, όταν ο Βόλφγκανγκ Πάουλι πρότεινε την ύπαρξη των νετρίνων για να διασώσει τον νόμο διατήρησης της ενέργειας στις ραδιενεργές διασπάσεις. Οι παρατηρήσεις δεν ταίριαζαν με τη θεωρία — εκτός αν υπήρχε ένα αόρατο σωματίδιο που «έπαιρνε μαζί του» μέρος της ενέργειας. Ο ίδιος ο Πάουλι φέρεται να είπε: «Έκανα κάτι φοβερό. Υπέθεσα την ύπαρξη ενός σωματιδίου που δεν μπορεί να ανιχνευθεί».
Τελικά αποδείχθηκε ότι έκανε λάθος — αλλά χρειάστηκαν 25 χρόνια για να εντοπιστεί το σωματίδιο. Το πείραμα των Ράινς και Κάουαν πραγματοποιήθηκε δίπλα σε πυρηνικό αντιδραστήρα, μια ιδανική πηγή (αντι)νετρίνων. Όταν ένα αντινετρίνο συγκρούεται με ένα πρωτόνιο, παράγεται ένα νετρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Το ποζιτρόνιο εξαφανίζεται σχεδόν αμέσως, εκπέμποντας ακτίνες γάμμα, ενώ το νετρόνιο καθυστερεί λίγο πριν συλληφθεί από έναν πυρήνα, παράγοντας ένα δεύτερο σήμα. Αυτή η χαρακτηριστική «διπλή αναλαμπή» ήταν το αποτύπωμα του αντινετρίνου — ο αδιαμφισβήτητος παλμός της ύπαρξής του.
Αυτή η ιδέα χάρισε στον Ράινς το Νόμπελ Φυσικής το 1995.
Έκτοτε, νετρίνα έχουν ανιχνευθεί παντού: στον πάγο της Ανταρκτικής, στη Μεσόγειο, βαθιά κάτω από τη Γη, στον Ήλιο, στην ατμόσφαιρα, ακόμη και από εκρήξεις άστρων σε άλλους γαλαξίες. Ανακαλύφθηκε επίσης ότι τα νετρίνα «ταλαντώνονται», μεταμορφώνονται από το ένα είδος στο άλλο — κάτι που μπορεί να συμβεί μόνο αν έχουν μάζα.
Αυτή η ανακάλυψη όμως φέρνει πρόβλημα: το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής υποθέτει ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα. Άρα, κάτι λείπει από τη θεωρία μας.
Σήμερα, οι φυσικοί αναπτύσσουν ολοένα και πιο ευαίσθητους ανιχνευτές: από υπερ-ακριβή θερμόμετρα που μετρούν την ελάχιστη θερμότητα από την ανάκρουση ενός πυρήνα, μέχρι νανοσφαίρες που αιωρούνται με λέιζερ. Κάθε νέα τεχνική υπόσχεται να αποκαλύψει λίγο περισσότερο το βάρος — κυριολεκτικά και μεταφορικά — των νετρίνων.
Η μάζα τους δεν είναι απλώς θεωρητικό ζήτημα. Έπαιξε ρόλο στη διαμόρφωση των γαλαξιών και της κοσμικής δομής. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα εντάσεις ανάμεσα στις μετρήσεις της Γης και τις εκτιμήσεις που βασίζονται στην παρατήρηση του σύμπαντος.
Τα νετρίνα δεν είναι πονηρά από πρόθεση. Είναι απλώς απίστευτα ελαφριά και απίστευτα απρόθυμα να αλληλεπιδράσουν. Κι όμως, μοιάζουν σχεδόν φτιαγμένα για να δοκιμάζουν την υπομονή των φυσικών.
Τι είναι κάτι που είναι ζωτικής σημασίας για τη δομή του σύμπαντος αλλά σχεδόν αόρατο;
Πώς ξέρεις ότι ένα σωματίδιο έχει μάζα χωρίς να ξέρεις ποια είναι;
Πώς ανιχνεύεις κάτι που μοιάζει μη ανιχνεύσιμο;
Σε αυτό το τελευταίο, τουλάχιστον, οι Ράινς και Κάουαν έδωσαν την απάντηση.
photo:
Scientists once doubted that neutrinos could ever be observed. Today, detectors around the world, including at the Daya Bay experiment in China, pick up signals of these ghostly particles.
Brookhaven National Laboratory/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
