Fizycy potwierdzili istnienie nowego rodzaju oscylacji neutrin

W piątek, podczas konferencji Europejskiego Towarzystwa Fizycznego (European Physical Society) w Sztokholmie, międzynarodowy zespół pracujący przy eksperymencie T2K potwierdził zaobserwowanie nowego rodzaju oscylacji neutrin, w którym neutrina mionowe przekształcają się w elektronowe. Fizycy już w 2011 r. informowali, że prawdopodobnie dochodzi do takich oscylacji, ale dopiero teraz naukowcy zebrali wystarczająco dużo danych, żeby to odkrycie potwierdzić.

"Są trzy zapachy, czyli rodzaje neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe. I np. czasami zdarza się, że neutrino mionowe może zmienić się w elektronowe. Nam w eksperymencie T2K udało się to zaobserwować" - opowiada dr Paweł Przewłocki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Polskiej Grupy Neutrinowej.

Dr Justyna Łagoda z NCBJ dodaje, że to był taki proces oscylacji, którego istnienie nie było wcześniej potwierdzone. "Gdyby on nie istniał, nie byłyby możliwe dalsze pomiary, które być może w przyszłości wyjaśnią nam, dlaczego w świecie jest więcej materii niż antymaterii" - wyjaśnia.

Neutrina są cząstkami elementarnymi - są obojętne elektrycznie i słabo oddziałują z materią, dlatego ich badanie jest niezwykle trudne. Neutrina są niemal nie do powstrzymania - potrafią przenikać przez nasze ciała, ziemię, skały, wodę.

W eksperymencie T2K neutrina - przede wszystkim mionowe - produkowane są na wschodnim wybrzeżu Japonii - w kompleksie akceleratorowym J-PARC w miejscowości Tokai. Wpuszczane są pod ziemię i 300 km dalej - już na zachodzie Japonii przechodzą przez umieszczony na głębokości 1 km detektor Super-Kamiokande. Jest to wypełniony wodą zbiornik o wysokości 40 m i średnicy 40 m. Otaczają go niezwykle czułe detektory, które są w stanie rozpoznać pojedyncze fotony światła.

Naukowcy w eksperymencie T2K liczą na to, że uda im się uchwycić moment zderzenia neutrina z jądrem np. tlenu z wody (oddziaływania). Oddziałujące neutrino produkuje inną cząstkę, która emituje światło. Neutrina o różnych zapachach oddziałują jednak w różny sposób. I tak neutrina elektronowe produkują wtedy elektrony, mionowe - miony, a taonowe - taony. "Miony i taony to ciężsi bracia elektronu" - wyjaśnia dr Przewłocki. Po tym, jakie światło zaobserwowano w detektorze, można określić zapach neutrina, które oddziaływało.

„Analiza danych otrzymanych w Super-Kamiokande wskazuje, że w dochodzącej wiązce jest więcej neutrin elektronowych niż należałoby się tego spodziewać nie uwzględniając zjawiska oscylacji – tłumaczy dr Paweł Przewłocki. – W toku badań powinniśmy znaleźć 4.6 neutrin elektronowych, a otrzymaliśmy ich 28. Jest to dowód na przekształcenie neutrin mionowych w elektronowe”. Prawdopodobieństwo, że zaobserwowana nadwyżka neutrin elektronowych może być wynikiem przypadkowej fluktuacji statystycznej, jest mniejsze niż jeden do biliona (1/1 000 000 000 000).

Dr Łagoda zaznacza, że oddziaływania neutrin są niezwykle rzadkie. "Przez około 3 lata obserwacji zebraliśmy tylko 363 przypadków oddziaływania różnych neutrin z wiązki. A przecież wszystkich neutrin wysłaliśmy wiele miliardów" - mówi. Dodaje, że neutrina - które powstawać mogą np. w Słońcu czy w atmosferze - przechodzą przez nasze ciało w każdej chwili, ale nic nam z tego powodu nie grozi. "W ciągu całego życia w człowieku o wadze 80-100 kg zachodzi średnio jedno oddziaływanie neutrina z atmosfery" - szacuje badaczka. Wyjaśnia, że wiązka neutrin to właściwie jedyna wiązka cząstek, w której człowiek może sobie stanąć bez narażenia życia.

Eksperyment T2K został zbudowany i jest obsługiwany przez międzynarodowy zespół. Wśród 400 fizyków z 59 instytucji z 11 krajów w badaniach bierze udział polska grupa naukowców. Jej skład tworzy 25 osób z 6 ośrodków naukowych: Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Śląskiego, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/