Neutrinii sunt particule subatomice produse de degradarea elementelor radioactive si sunt particule elementare care nu dispun de o sarcina electrica. Numele de “neutrin” (neutrino) a fost inventat de catre Enrico Fermi ca un joc de cuvinte pentru “neutrone”, numele italian al neutronului. Dintre toate particulele de inalta energie, numai neutrinii care interactioneaza slab pot transmite informatii astronomice de la marginea universului, in mod direct – din adancul celor mai cataclismice procese de inalta energie, exista trei tipuri diferite de neutrini, fiecare tip fiind legat de o particula incarcata.
Produsi din abundenta in ciocnirile de inalta energie, calatorind, in esenta, cu viteza luminii si neafectati de campuri magnetice, neutrinii indeplinesc cerintele de baza ale astronomiei. Avantajul lor unic provine dintr-o proprietate fundamentala – acestia sunt afectati numai de fortele cele mai slabe ale naturii si sunt, prin urmare, neabsorbiti pe masura ce calatoresc pe distante cosmologice de la originea lor pana la noi.
De unde provin neutrinii?
Din ceea ce stim astazi, majoritatea neutrinilor s-au nascut acum aproximativ 15 miliarde de ani, la scurt timp dupa nasterea universului. Din acel moment, universul s-a extins incontinuu si s-a racit, iar neutrinii au continuat sa se deplaseze. Din punct de vedere teoretic, acum exista atat de multi neutrini incat sa constituie o radiatie cosmica de fond a carei temperatura este de -271,2 grade Celsius. Alti neutrini sunt produsi in mod constant de centralele nucleare, acceleratoarele de particule, bombele nucleare, fenomenele atmosferice generale si in timpul nasterilor, ciocnirilor si mortilor stelelor, in special in cadrul exploziilor de supernove.
Putina istorie
Neutrinul a fost postulat pentru prima oara in decembrie 1930 de catre Wolfgang Pauli, pentru a explica spectrul energetic al dezintegrarilor beta, dezintegrarea unui neutron intr-un proton si un electron. Pauli a teoretizat ca o particula nedetectata transporta diferenta observata dintre energie si impulsul cinetic al particulelor initiale si finale. Datorita proprietatilor lor “fantomatice”, prima detectare experimentala a neutrinilor a trebuit sa astepte aproape 25 de ani. In anul 1956, Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harrison. H. W. Kruse si A. D. McGuire au publicat articolul “Detectarea neutrinului liber: o confirmare”, un rezultat care a fost recompensat cu Premiul Nobel, in anul 1995.
In anul 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz si Jack Steinberger au aratat ca exista mai mult de un tip de neutrin, prin detectarea interactiunilor neutrinilor muonici. Cand un alt treilea tip de leptoni a fost descoperit (tau) in anul 1975, era de asteptat ca si acesta sa aiba un neutrin asociat. Prima dovada a acestui al treilea tip de neutrin a venit din observarea lipsei energie si impulsului in degradarea tau, similara cu degradarea beta care dusese la descoperirea neutrinului in primul rand. Prima detectie a unui neutrin tau real a fost anuntata in vara anului 2000, facand-o cea mai recenta particula a modelului standard care a fost observata in mod direct.
O metoda practica de cercetare a maselor neutrinilor a fost sugerata pentru prima oara de catre Bruno Pontecorvo, in anul 1957, folosind o analogie cu sistemul kaon neutru – de-a lungul urmatorilor 10 ani, acesta a dezvoltat formalismul matematic si formularea moderna a oscilatiilor de vid. In anul 1985, Stanislav Mikheyev si Alexei Smirnov au remarcat ca oscilatiile de aroma pot fi modificate atunci cand neutrinii se propaga prin materie. Acest efect este important pentru intelegerea neutrinilor emisi de soare, care trec prin atmosfera densa a acestuia in drumul lor spre detectoarele de pe Pamant.
Interactiunile neutrinilor
Aceasta interactiune slaba a neutrinilor cu materia este ceea ce ii face valorosi intr-un mod unic, ca mesageri astronomici. Spre deosebire de fotoni sau particule incarcate, neutrinii pot iesi din adancul surselor lor si pot calatori in intregul univers, fara interferente. Acestia nu sunt deviati de campurile magnetice interstelare si nu sunt absorbiti de materia care intervine. Cu toate acestea, aceleasi trasaturi ingreuneaza detectarea neutrinilor cosmici – sunt necesare instrumente imense pentru a gasi neutrinii in numar suficient, pentru a depista originea lor. Neutrinii pot interactiona prin interactiunile slabe din curentul neutru (care implica schimbul unui boson Z) sau curentul incarcat (care implica schimbul unui boson W).
In cadrul unei interactiuni din curentul neutru, neutrinul paraseste detectorul dupa ce a transferat o parte din energia si impulsul sau unei particule tinta. Toate trei aromele de neutrini pot participa, indiferent de energia neutrinului. Cu toate acestea, nicio informatie a aromei de neutrin nu este lasata in urma. In cadrul unei interactiuni din curentul incarcat, neutrinul se transforma in leptonul sau partener (electron, muon, tau). Insa, daca neutrinul nu are suficienta energie pentru a crea masa partenerului sau mai greu, interactiunea din curentul incarcat nu ii este disponibila. Neutrinii solari si cei din reactoare au suficienta energie pentru a crea electroni. Cele mai multe fascicule de neutrini pe baza de acceleratie pot crea deasemenea muoni, iar cateva pot crea tau. Un detector care poate face diferenta intre acesti leptoni poate dezvalui aroma neutrinului de incident, intr-o interactiune din curentul incarcat. Deoarece interactiunea implica schimbul unui boson incarcat, particula tinta deasemenea isi schimba caracterul (de exemplu, neutron in proton).
