Neutrinų astronomija

Ir vasario mėnesį mano skaitytojai man žada duoti 50 dolerių, taigi tęsiu savo pažadą ir rašau tekstą, kurio kitaip nebūtų buvę. Jei tokių tekstų norite daugiau arba norite siūlyti jų temas – prisidėkite prie paramos Konstantai ir jūs!

Kai prieš metus buvo paskelbta apie pirmąjį tiesioginį gravitacinių bangų aptikimą, daugumoje komentarų buvo pabrėžiama, jog jos atveria naują langą į kosmosą, kadangi leidžia stebėti jį iš principo kitaip, nei elektromagnetinėmis bangomis. Bet egzistuoja dar viena, taip pat tik po truputį auganti, astronominių stebėjimų kryptis, neparemta elektromagnetinėmis bangomis. Tai – neutrinų astronomija.

Standartinio modelio elementariosios dalelės (ir gravitonas). Nedaug susiję su straipsnio tema, bet kokie jie mieli! ©André-Pierre Olivier

Neutrinai, kartais vadinami „dalelėmis-vaiduokliais“, yra elementariosios dalelės, gana silpnai sąveikaujančios su kitomis. Pirmą kartą jie buvo aptikti 1956-aisiais metais, nors jų egzistavimas teoriškai prognozuotas dar 1930-aisiais, nagrinėjant kai kurių branduolinio skilimo reakcijų produktus. Nepaisant dešimtmečius trunkančių tyrinėjimų, vis dar neaišku, ar neutrinai turi masę; jei ir turi, ji yra bent 4 milijonus kartų mažesnė, nei elektrono masė. Žinome, kad jie neturi elektrinio krūvio ir kad yra susiję su elektronais ir giminingomis dalelėmis. Trys neutrinų tipai atitinka tris leptonų tipus – elektronus, muonus ir tauonus (neutrinai irgi panašiai vadinami – elektron-neutrinas, mu neutrinas ir tau neutrinas).

Vienas iš pirmųjų aptiktų neutrinų, ir pirmasis, aptiktas burbulinėje kameroje – prietaise, kuriuose seniau būdavo ieškoma daugumos elementariųjų dalelių. Paties neutrino nematyti, bet matomas jo sąveikos su protonu padarinys. ©Argonne National Laboratory

Neutrinų ir likusios medžiagos sąveikavimo silpnumas yra ir didelis pliusas, ir didelis minusas. Kiekvieną sekundę kiekvieną kvadratinį centimetrą Žemės paviršiaus pasiekia iki 65 milijardų Saulės neutrinų. Šitas srautas, beveik nesusilpnėjęs, išlekia iš Žemės naktinėje pusėje ir nulekia toliau. Žiūrint iš neutrino požiūrio taško, Žemė yra beveik visiškai permatoma. Taigi aptikti neutrinus yra labai sudėtinga: reikia didžiulių detektorių, pro kuriuos lėktų milžiniški neutrinų srautai, nes tik tada galima tikėtis, kad vienas-kitas neutrinas sąveikaus su detektoriaus medžiaga.

Iš kitos pusės, neutrinai mums gali duoti informacijos apie procesus, vykstančius nepermatomų dangaus kūnų gelmėse. Pavyzdžiui Saulės neutrinai atsiranda jos branduolyje vykstant termobranduolinėms reakcijoms ir palieka Saulę praktiškai nesąveikaudami su išoriniais sluoksniais. Taigi mokėdami aptikti neutrinus, galime tyrinėti jų šaltinių savybes, kurios liktų nepasiekiamos, stebint vien fotonus.

Kol kas vienareikšmiškai identifikuoti tik du neutrinų šaltiniai už Žemės ribų: mūsų Saulė ir supernovos sprogimas SN 1987A. Bet apskritai neutrinų aptikta ir daugiau, tad neutrinų astronomija po truputį auga ir tampa vis reikšmingesnė. Pagrindinė neutrinų observatorija yra IceCube – Antarktidoje įrengtas detektorių masyvas, išdėstytas kubiniame kilometre ledo. Joje aptiktos kelios dešimtys neutrinų, atsklidusių iš už Saulės sistemos ribų.

IceCube laboratorijos/observatorijos schema. ©University of Wisconsin-Madison

Dauguma tikėtinų neutrinų šaltinių yra objektai ar procesai, kuriantys kosminius spindulius. Kosminiai spinduliai yra didelės energijos elektringos dalelės, daugiausiai elektronai ir protonai, atsirandančios gama spindulių žybsniuose, supernovų sprogimų metu, ką tik susiformavusiose neutroninėse žvaigždėse arba aktyviuose galaktikų branduoliuose. Manoma, kad šie procesai sukuria ir neutrinų srautus. Kosminiai spinduliai sąveikauja su magnetiniais laukais, todėl mus pasiekia ne tiesiu keliu, ir neįmanoma nustatyti, iš kur atkeliauja konkretus kosminis spindulys. Tuo tarpu neutrinai turėtų mūsų link lėkti tiesiomis linijomis. Tikėtina, kad daugelio su kosminiais spinduliais susijusių neutrinų energija turėtų būti didžiulė, o tai reiškia stipresnę sąveiką su aplinkine medžiaga, todėl teoriškai tokie neutrinai aptinkami lengviausiai. Deja, kol kas tokie labai didelės energijos neutrinai aptikti tik keturi: du 2013-aisiais metais, vienas – truputį vėliau, iš naujo analizuojant 2012 metų duomenis, o dar vienas – prieš pusantrų metų. Deja, šių neutrinų kilmė uždavė daugiau klausimų, nei davė atsakymų: nepavyko nustatyti konkrečių jų kilmės šaltinių, o jų energijos pasiskirstymas taip pat neatitiko tuometinių modelių. Kol kas situacija su labai energingais neutrinais yra visiškai mįslinga.

Mažesnės energijos neutrinų žinomos kelios dešimtys. Jų kilmė irgi vienareikšmiškai nenustatyta, tačiau bent jau energijos pasiskirstymas daugmaž atitinka tai, ką prognozuoja modeliai, paremti aukščiau minėtais procesais.

Dar vienas galimas neutrinų šaltinis – Didysis sprogimas. Jo metu, kartu su kitomis dalelėmis, susiformavo ir daugybė neutrinų. Atsiskyrę nuo materijos, jie pasklido po Visatą, panašiai kaip ir fotonai, ir sudaro kosminį neutrinų foną (Cosmic neutrino background). Šių neutrinų energija yra labai maža – vidutiniškai ji atitinka vos 2 kelvinų temperatūrą – taigi aptikti juos ypatingai sunku, ir gali būti, kad niekada to padaryti ir nepavyks. Kol kas šių neutrinų egzistavimo įrodymai yra tik netiesioginiai: jie turėjo įtakos pirmykščių cheminių elementų formavimuisi bei kosminės foninės spinduliuotės temperatūrų netolygumui. Jei kada nors foninius neutrinus pavyktų aptikti, tai padėtų pažvelgti giliai į Visatos jaunystę. Kol kas jauniausia Visata, kokią galime matyti, yra 380 tūkstančių metų amžiaus, nes tada atsiskyrė materija ir spinduliuotė ir susiformavo kosminė foninė spinduliuotė. Neutrinai nuo likusios materijos atsiskyrė pradėjus vos sekundei po Didžiojo sprogimo, taigi neutrinų fono stebėjimai leistų tyrinėti vos sekundės amžiaus Visatą.

Neutrinai, panašiai kaip ir gravitacinės bangos, yra fundamentaliai kitoks būdas pažvelgti į Visatą, nei elektromagnetinių bangų aptikimas. Nors kol kas jų aptikome nedaug ir detalių analizių daryti dar neišeina, ateityje situacija turėtų tik gerėti. Taigi belieka laukti ir sekti naujienas.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *