5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o kosmicznych neutrinach | Kwantowo.pl

Jak na enigmatycznych i niemal niewidzialnych gości, neutrina potrafią narobić sporo szumu. Już dwukrotnie były przedmiotem badań nagradzanych Nagrodą Nobla, a obecnie są na dobrej drodze do zmiany naszego spojrzenia na wszechświat.

1. Detekcją zajmuje się Kostka Lodu

Nawet jeśli nie śledzisz z zain­te­re­so­wa­niem wieści ze świata fizyki cząstek ele­men­tar­nych, praw­do­po­dob­nie sły­sza­łeś niejedną cie­ka­wostkę na temat neutrin. Jak choćby tą mówiącą, że w każdej sekun­dzie przez całe Twoje ciało prze­la­tuje biliony neutrin, nie pozo­sta­wia­jąc po sobie naj­mniej­szego śladu. Astronom Roopesh Ojha obrazowo nazwał te drobiny “snobami wszech­świata”, z uwagi na igno­ro­wa­nie przez nie każdej napo­tka­nej prze­szkody.
Obserwatorium IceCube
Detektory IceCube wewnątrz lodowcaW rzeczy samej, neutrina bardzo nie­chęt­nie wchodzą w inte­rak­cję z czym­kol­wiek. Nie dość, że olewają oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne, to jeszcze ich masa jest tak maleńka, że do niedawna zasta­na­wiano się czy w ogóle ją posia­dają. Z tego też powodu detekcja neutrin należy do naj­więk­szych wyzwań współ­cze­snej nauki, wyma­ga­jąc ogromu pracy i potęż­nych kom­plek­sów badaw­czych. Naj­słyn­niej­szym tego typu obser­wa­to­rium pozo­staje japoń­skie Super-Kamio­kande, które walnie przy­czy­niło się do wery­fi­ka­cji hipotezy o oscy­la­cji neutrin. Inne zaawan­so­wane neu­tri­nowe ustroj­stwo to położne na Antark­ty­dzie IceCube Neutrino Obse­rva­tory – czy mówiąc po naszemu Kostka Lodu. Dlaczego na loka­li­za­cję obser­wa­to­rium wybrano akurat pust­ko­wie w sąsiedz­twie bieguna połu­dnio­wego? Zasad­ni­czo współ­cze­sne detek­tory wcale nie reje­strują samych neutrin, lecz moni­to­rują wielkie skupiska materii z nadzieją na wychwy­ce­nie śladu inte­rak­cji atomów z którymś z biliar­dów prze­la­tu­ją­cych neutrin. Takie spo­tka­nie wywołuje “błyski”, zgodne z mecha­ni­zmem pro­mie­nio­wa­nia Cze­ren­kowa – i właśnie to zda­rze­nie ma za zadanie dostrzec jeden z tysięcy czuj­ni­ków obser­wa­to­rium. Tak działa Super-Kamio­kande, gdzie uczeni obser­wują wielki pod­ziemny basen, jak również IceCube, gdzie apa­ra­tura poluje na ślady neutrin pene­tru­ją­cych materię lodowca. Swoją drogą, takie obser­wa­to­ria mają nie­sły­chany rozmach. Na Antark­ty­dzie fizycy trzymają pod lupą pole o powierzchni kilo­me­tra kwa­dra­to­wego, z czuj­ni­kami umiesz­czo­nymi w odwier­tach na głę­bo­ko­ści nawet dwóch kilo­me­trów pod powierzch­nią lodowca.

Nie­ba­ga­telną zaletą poło­że­nia Kostki Lodu jest również swego rodzaju radia­cyjna ste­ryl­ność, zapew­niana przez odle­głość sprzętu od sztucz­nych źródeł pro­mie­nio­wa­nia. 

2. Dotąd łapaliśmy głównie neutrina słoneczne

Na jednym z polskich portali ujrzałem wczoraj nagłówek: “Naukowcy zaob­ser­wo­wali nie­uchwytną cząstkę — neutrino. Roz­wi­kłano 100-letnią zagadkę”. Niezła, dobrze brzmiąca, chwy­tliwa bzdura. W rze­czy­wi­sto­ści naj­bar­dziej ulotny element modelu stan­dar­do­wego – będący efektem ubocznym nie­któ­rych reakcji rozpadu – był reje­stro­wany przez uczonych już na prze­ło­mie lat 50. i 60. ubie­głego stulecia. Z kolei od lat 80. inten­sy­fi­ko­wano wysiłki mające na celu wyła­py­wa­nie neutrin powsta­ją­cych poza naszą planetą (czego owocem jest m.in. wspo­mniany detektor Super-Kamio­kande). Przełom nastąpił za sprawą Masa­to­shiego Koshiby i nie­ży­ją­cego już Raymonda Davisa, którzy dopra­co­wali metodę reje­stro­wa­nia neutrin na tyle, aby dało się wyod­ręb­nić te o pocho­dze­niu kosmicz­nym.

Neutrina słoneczneMusisz wiedzieć, że neutrina to tak naprawdę bardzo pospo­lite drobiny, a trud­no­ści eks­pe­ry­men­ta­to­rów wynikają wyłącz­nie z ich widmowej cha­rak­te­ry­styki. Wszyst­kie gwiazdy oraz inne ema­nu­jące energią obiekty, poza światłem o różnej długości fali, bez przerwy miotają we wszyst­kie strony nie­koń­czą­cymi się stru­mie­niami neutrin. Dotyczy to również naszego Słońca. Co zabawne, prze­ciętny foton może spędzić długi czas na próbach ucieczki z głębi gwiazdy, wchodząc po drodze w nie­zli­czoną liczbę inte­rak­cji z napo­tka­nymi cząst­kami. Powsta­jące w tym samym piekle sło­neczne neutrina, niemal od razu i bez skrę­po­wa­nia wyska­kują w kosmos, igno­ru­jąc wszelkie prze­szkody.

W tej sekun­dzie przez Twój pazno­kieć mogło prze­fru­nąć nawet 100 milionów takich gałganów – licząc tylko tych pocho­dzą­cych z naszej gwiazdy. 

3. Neutrino przebyło 4 mld lat świetlnych

Odkrycie dokonane w IceCube we wrześniu 2017 roku, a opisane ostatnio w cza­so­pi­śmie Science, dotyczy kosmicz­nego neutrina w pełnym rozu­mie­niu tego słowa. Nie tylko pochodzi ono spoza Ziemi i spoza Układu Sło­necz­nego (takie też już udawało się upolować), ale daleko spoza Drogi Mlecznej! Jego źródłem jest centrum galak­tyki aktywnej odda­lo­nej od nas o 4 miliardy lat świetl­nych. Szcze­gólne wrażenie robi energia niesiona przez rekor­dowe neutrino: około 300 TeV, czyli 300 bilionów elek­tro­no­wol­tów. Dla porów­na­nia, Ernest Ruther­ford w swoim doświad­cze­niu dowo­dzą­cym ist­nie­nie jądra ato­mo­wego, ostrze­li­wał złotą folię cząst­kami z energią w gra­ni­cach kilku MeV (milionów elek­tro­no­wol­tów), zaś akce­le­ra­tor LHC zderza hadrony z mocą nie­ca­łych 10 TeV – co wystar­czyło cho­ciażby dla odkrycia bozonu Higgsa.

Zda­rze­nie zare­je­stro­wane na Antark­ty­dzie ozna­czono jako IceCube-170922A. Kosmiczne neutrino wpadło z impetem w lodowiec, wywo­łu­jąc nie­do­strze­galny dla ludz­kiego oka błysk. Ten został wychwy­cony przez detektor umiesz­czony w jednym z 86 odwier­tów, co auto­ma­tycz­nie uru­cho­miło alarm. Dzięki temu, astro­no­mo­wie mogli niemal natych­miast wyce­lo­wać dostępne im tele­skopy i radio­te­le­skopy w kierunku, z którego nad­le­ciała drobina. Kluczowe okazało się orbi­talne obser­wa­to­rium GLAST (ang. Fermi Gamma-ray Space Tele­scope), wypo­sa­żone w detektor pro­mie­nio­wa­nia gamma. Zesta­wia­jąc raporty IceCube z danymi zbie­ra­nymi przez GLAST, uczeni szybko powią­zali nad­po­bu­dliwe neutrino z nagłym mignię­ciem promieni gamma w kon­ste­la­cji Oriona, odda­lo­nym – wnio­sku­jąc po prze­su­nię­ciu ku czer­wieni – o około 4 miliardy lat świetl­nych.

Trudno mówić o szoku, ponieważ teoria od dawien dawna zakła­dała wyrzuty wyso­ko­ener­ge­tycz­nych neutrin przez naj­bar­dziej aktywne zjawiska we wszech­świe­cie. Jednak dopiero po raz pierwszy udało się nam takiego kosmicz­nego podróż­nika uchwycić i powiązać z kon­kret­nym obiektem.

4. TXS 0506+056 to blazar

Natu­ralne jest pytanie o rodowód tur­bo­neu­trina IceCube-170922A. To kolejna inte­re­su­jąca kwestia, bowiem wiele wskazuje na to, iż cząstka została wyemi­to­wana przez przed­sta­wi­ciela bardzo słabo poznanej klasy obiektów, zwanych bla­za­rami. Cóż to za nowe dia­bel­stwo? Jeśli zdarza Ci się czasem poczytać o astro­fi­zyce, bardzo praw­do­po­dobne, że sły­sza­łeś podobnie brzmiący termin – kwazar. Jest to rodzaj bardzo żywio­ło­wej galak­tyki, zawie­ra­ją­cej w swym jądrze nie­na­sy­coną super­ma­sywną czarną dziurę oraz duże zasoby wpa­da­ją­cej doń materii. Według nie­któ­rych hipotez każda lub więk­szość galaktyk (w tym Droga Mleczna) wiodła na pewnym etapie żywot kwazara, który prze­cho­dził w stan uśpienia po wyczer­pa­niu przez jego cen­tralną czarną dziurę dostęp­nego paliwa.
Dżet blazara
Współ­cze­sna kosmo­lo­gia zakłada ist­nie­nie całej gamy obiektów spo­krew­nio­nych z kwa­za­rami, kla­sy­fi­ko­wa­nych jako AGN, czyli galak­tyki z aktyw­nymi jądrami. Jednym z przed­sta­wi­cieli tej rodziny jest właśnie blazar. Podobnie do kla­sycz­nego kwazara, blazary również skrywają w swoich wnę­trzach nie­na­sy­cone super­ma­sywne potwory. Różnica spro­wa­dza się do tego, że aktyw­ność ma cha­rak­ter skokowy, zaś ich czarne dziury wyrzu­cają w prze­strzeń zja­wi­skowe stru­mie­nie cząstek i pro­mie­nio­wa­nia, niemal dokład­nie wyce­lo­wane w naszą planetę. Oczy­wi­ście, jeśli obser­wu­jemy taki blazar ze śmier­cio­no­śnym dżetem wyce­lo­wa­nym prosto w nas, widzimy go jako znacznie jaśniej­szy, co nie­wąt­pli­wie pomaga w bada­niach. Człon­ko­wie ekip IceCube i GLAST są prze­ko­nani, że złapane neutrino mogło powstać w dysku akre­cyj­nym ota­cza­ją­cym czarną dziurę i zostać wystrze­lone w naszym kierunku jako pasażer takiego dżetu.

Obiekt TXS 0506+056 – skąd naj­pew­niej nad­le­ciała cząstka – jest obecnie jednym z zaledwie kilku kan­dy­da­tów na członka eli­tar­nego grona blazarów.

5. To może być początek astronomii neutrinowej

Nie­uchwyt­ność, czyli to co naj­bar­dziej drażni badaczy w neu­tri­nach, w innym kon­tek­ście może okazać się nie­zrów­naną zaletą. Kla­syczna astro­no­mia opiera się na świetle widzial­nym odbie­ra­nym przez stan­dar­dowe tele­skopy. Posłu­gu­jemy się również całą gamą urządzeń zdolnych do wypa­try­wa­nia sygnałów w zakresie fal radio­wych, pod­czer­wieni, a nawet promieni gamma (jak przy­wo­ły­wany GLAST). Jednak koniec końców, wszyst­kie te obser­wa­to­ria polegają na fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej różnego rodzaju. Plusy? Otrzy­mu­jemy infor­ma­cję z mak­sy­malną możliwą pręd­ko­ścią, czyli pręd­ko­ścią światła. Minusy? Jak wspo­mnia­łem przy okazji akapitu o neu­tri­nach sło­necz­nych, fotony bardzo chętnie wchodzą w inte­rak­cję z każdą napo­tkaną prze­szkodą, co w pewnych sytu­acjach ogra­ni­cza nasze moż­li­wo­ści badawcze. Trudno w ten sposób ana­li­zo­wać na bieżąco cho­ciażby zjawiska zacho­dzące głęboko w jądrze gwiazdy. A gdybyśmy posia­dali dosko­nałe czujniki neutrin, pozwa­la­jące astro­no­mom na zary­so­wa­nie swego rodzaju foto­gra­fii? Uzy­ska­li­by­śmy nie­po­wta­rzalną szansę bez­po­śred­niej obser­wa­cji serca gwiazdy, galak­tyki, kwazara i wła­ści­wie każdego obiektu emi­tu­ją­cego duże ilości energii. Zda­rze­nie IceCube-170922A, można trak­to­wać jako zapo­wiedź narodzin astro­no­mii neu­tri­no­wej, podobnie jak inter­fe­ro­me­try LIGO, dają nadzieję na rozwój astro­no­mii opartej o detekcję fal gra­wi­ta­cyj­nych.
Mikrofalowe promieniowanie tła

Zdjęcie wykonane przez WMAP, uka­zu­jące młody wszech­świat widziany w zakresie światła mikro­fa­lo­wego. Różnice tem­pe­ra­tur są mniejsze niż setne części stopnia.

Wyko­rzy­sta­nie poten­cjału neutrin, pozwo­li­łoby nam również zwe­ry­fi­ko­wać wiele tez na temat genezy i wcze­snego okresu ist­nie­nia całego wszech­świata. Współ­cze­śnie za jeden z naj­cen­niej­szych reliktów wiel­kiego wybuchu uważa się mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła (CMB). To prastare fotony, na pod­sta­wie których sonda WMAP naszki­co­wała mapę rozkładu energii we wczesnym wszech­świe­cie. Istnieje tu jednak pewien haczyk, o którym mnóstwo ludzi zapomina: światło CMB wcale nie zostało wyemi­to­wane w samych począt­kach narodzin wszech­świata! Nie wdając się w szcze­góły, zaraz po wielkim wybuchu kosmos wypeł­niała nie­przej­rzy­sta zupa roz­dy­go­ta­nych cząstek, będąca zwy­czaj­nie zbyt gęsta aby fotony zdołały się przebić. Dopiero po upływie około 380 tysięcy lat, jądra atomowe wyłapały elek­trony zmniej­sza­jąc ścisk i uwal­nia­jąc pierwsze w pełni swobodne światło, które po ponad 13 miliar­dach lat obser­wu­jemy jako sła­biut­kie mikro­fale.

Jak pewnie się domy­ślasz, to czego nie potra­fiły dokonać fotony, mogło udać się neu­tri­nom. Istnieje spora szansa, że obok reszt­ko­wego pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego, współ­cze­sną prze­strzeń prze­mie­rzają również relik­towe neutrina – pierwsi ucie­ki­nie­rzy z przed­wiecz­nego piekła. Kosmo­lo­go­wie marzą o tym, aby w przy­szło­ści stworzyć nową, neu­tri­nową mapę nie­mow­lę­cego wszech­świata, poko­nu­jąc obser­wa­cyjną cezurę 380 tys. lat. Kto wie, może nasze poko­le­nie tego doczeka?
Literatura uzupełniająca:
Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert, [online: http://science.sciencemag.org/content/sci/early/2018/07/11/science.aat2890.full.pdf];
D. Clery, Ghostly particle caught in polar ice ushers in new way to look at the universe, [online: www.sciencemag.org/news/2018/07/ghostly-particle-caught-polar-ice-ushers-new-way-look-universe];
S. Blau, IceCube pinpoints an extragalactic neutrino source, [online: https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20180712a/full/];
D. Goldsmith, N. de Grasse Tyson, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, Warszawa 2007.
  • http://jacek-belof.blogspot.com/ Jacek

    Taa… początek astro­no­mii neu­tri­no­wej… tylko czym to „łapać”… przecież nie wyślemy w kosmos kilo­me­tra sze­ścien­nego lodu… może się nie znam, ale wydaje mi się, że musimy poczekać na odkrycie/„wyprodukowanie” jakiegoś sztucz­nego, super­cięż­kiego pier­wiastka, który nie dość, że musi być (w miarę) stabilny, to jeszcze „chętny” do współ­pracy z „tym czymś”.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Kuba

      Nie trzeba nic wysyłać w kosmos, bo atmos­fera nie jest żadną prze­szkodą dla neutrin.
      A co do super­cięż­kich pier­wiast­ków, to nie wiem czy przy­da­dzą się do badania neutrin, ale naukowcy spo­dzie­wają się, że mogą istnieć ich stabilne izotopy (jeszcze nie odkryte). Poszukaj hasła “wyspa sta­bil­no­ści”.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0