Tajemnicze cząstki, które przenikają wszystko

Wyobraź sobie taką sytuację.

Głęboko pod ziemią w południowych Chinach stoi detektor wielkości sporego budynku. Wewnątrz jest 20 000 ton specjalnej cieczy, która błyska za każdym razem, gdy przeleci przez nią odpowiednia cząstka. I mówię "odpowiednia", bo to coś tak nieśmiałego, że praktycznie nie chce mieć do czynienia z niczym innym we wszechświecie.

To neutrina. I szczerze? To jedna z najdziwniejszych rzeczy, z jakimi fizyka ma do czynienia.

Czym właściwie jest neutrino?

Neutrino to cząstka elementarna — jeden z fundamentalnych klocków, z których zbudowany jest cały świat. Ale w przeciwieństwie do protonów, neutronów czy elektronów, neutrina mają naprawdę osobliwe cechy.

Po pierwsze, nie mają ładunku elektrycznego. Po drugie, są niewiarygodnie lekkie — i tu dochodzimy do sedna, bo wciąż do końca nie rozumiemy, jak właściwie są lekkie. Mechanizm odpowiedzialny za ich masę może kryć coś, czego jeszcze nie odkryliśmy. A po trzecie i najważniejsze: praktycznie nie reagują z niczym.

Pomyśl o tym tak — właśnie teraz, gdy to czytasz, biliony neutrin ze Słońca przelatują przez twoje ciało. Przez ściany. Przez całą Ziemię. I nie zderzają się przy tym z ani jednym atomem.

Jak łapanie duchów siatką na motyle.

Na tropie niewidzialnego

I tutaj wkracza JUNO — Jiangmen Underground Neutrino Observatory, czyli Podziemne Obserwatorium Neutrin w Jiangmen. Właśnie opublikowali pierwsze poważne wyniki i są one naprawdę niezłe.

Używając zaledwie 59 dni danych, międzynarodowy zespół dokonał najdokładniejszych w historii pomiarów dwóch podstawowych właściwości neutrin. Jak dokładnych? Zmniejszyli niepewność pomiarową 1,6 raza w porównaniu z tym, co udało się osiągnąć przez kilka poprzednich dekad eksperymentów.

Wyobraź sobie, że zgadujesz, ile ktoś ma lat — i zamiast mylić się o 10 lat, mylisz się tylko o 6. Tyle że tym "kimś" jest cząstka subatomowa, która ledwo istnieje.

Co z tą masą?

No i tutaj robi się naprawdę ciekawie. Jednym z głównych celów JUNO jest rozwiązanie zagadki "porządku mas neutrin".

Naukowcy wiedzą, że istnieją trzy rodzaje (fachowo mówiąc: trzy "smaki") neutrin. Czego nie wiedzą? Który z nich jest najcięższy, a który najlżejszy. Trochę jakbyś miał trzy zamknięte pudełka i nie mógł ich otworzyć, żeby sprawdzić, co jest w środku.

Dlaczego to w ogóle jest ważne? Bo zrozumienie mas neutrin może pomóc odpowiedzieć na ogromne pytania o wszechświat — dosłownie. Łączy się to z tym, dlaczego w młodym wszechświecie materia wygrała z antymaterią. A to jest częścią odpowiedzi na pytanie, dlaczego w ogóle cokolwiek istnieje.

Pismo Nature też było podekscytowane. W swojej relacji okrzyknęli ten pierwszy wynik "początkiem nowej ery precyzyjnych pomiarów oscylacji neutrin".

Arthur McDonald, laureat Nagrody Nobla za odkrycie oscylacji neutrin słonecznych, powiedział tak: "JUNO spełniło swoje założenia projektowe, osiągając wyjątkową czystość radioizotopową, rozdzielczość energetyczną i stabilność detektora."

Nie byle kto to mówi.

Jak to wygląda w środku?

Chcę, żebyś sobie wyobraził detektor JUNO.

W samym sercu znajduje się olbrzymia sfera akrylowa — mniej więcej 35 metrów średnicy — wypełniona tą specjalną cieczą. Sfera ta spoczywa w basenie wodnym głębokim na 44 metry. A wszystko to jest zamknięte w potężnej konstrukcji ze stali nierdzewnej.

I — prawie zapomniałem — leży 700 metrów pod ziemią. Dlaczego? Bo skały nad nim chronią detektor przed innymi cząstkami, które mogłyby zakłócać pomiary. W końcu polujemy na najnieśmiałejsze cząstki w całym wszechświecie.

Sferę pokrywa ponad 45 000 lamp pomiarkowych — urządzeń, które łapią mikroskopijne błyski światła i zamieniają je na sygnały elektryczne. Gdy neutrino wreszcie zdecyduje się zainteragować z cieczą (a dzieje się to naprawdę rzadko), powstaje malutka iskierka. Lampy ją łapią, a naukowcy mogą ją przeanalizować.

Tak jakbyś budował ogromny aparat fotograficzny, żeby sfotografować coś, co nie chce być fotografowane.

Po co mi to?

Wiem, o czym myślisz: "Fajna nauka, ale czemu mam się przejmować jakąś cząstką, o której nigdy nie słyszałem?"

Otóż neutrina są dosłownie wszędzie. Powstają w reakcjach jądrowych (jak w Słońcu), w wybuchach supernowych, w wnętrzu Ziemi, a nawet w naszych własnych ciałach — z potasu, który jemy. Niosą informacje o najbardziej gwałtownych i tajemniczych zdarzeniach we wszechświecie.

Zrozumienie neutrin pomaga nam pojąć podstawowe zasady rządzące wszystkim. I szczerze mówiąc? Jest coś pięknego w tym, że ludzie budują ogromny detektor pod ziemią tylko po to, by zobaczyć ułamek tych duchowych cząstek.

To czysta ciekawość w najlepszym wydaniu.

Co dalej?

JUNO działa sprawnie od mniej więcej dziewięciu miesięcy. Naukowcy spodziewają się publikacji kolejnych wyników zaczynając od tego lata. W ciągu najbliższych lat eksperyment powinien zgromadzić wystarczająco dużo danych, żeby wreszcie określić porządek mas neutrin.

Jeśli to się uda, będzie to jedno z największych odkryć w fizyce cząstek elementarnych od dziesięcioleci.

Tak więc — obserwujcie JUNO. Te ciche cząstki ukryte w ciemności mogą mieć nam naprawdę sporo do powiedzenia.