Nobela za fiziku u 2015. osvojili su Takaki Kadžita iz Japana i Artur Mekdonald iz Kanade za rešenje decenijama stare misterije neutrina
Tekst: Slobodan Bubnjević
Nobelov komitet za fiziku u 2015. godini nagradio je istraživanja u oblasti fizike neutrina, malih, misterioznih i uzbudljivih čestica koje se javljaju u čitavom univerzumu, a kojima se uporno bavi jedna specifična grupa zaljubljenika. Naime, ovogodišnju nagradu su ravnomerno podelili Takaki Kadžita iz istraživačke kolaboracije Super-kamiokande, sa Univerziteta u Tokiju u Japanu i Artur Mekdonald iz Neutrino opservatorije Sadburi, pri Univerzitetu Kvins u Kanadi (na slici iznad).
Fizičari Kadžita i Mekdonald su nagrađeni za radove koji su u velikoj meri definisali savremenu fiziku elementarnih čestica i objasnili jednu od njenih najpoznatijih misterija koja se odnosila na neutrina. Kako je Nobelov komitet saopštio, nagradu su dobili ”za otkriće neutrino oscilacija, koje su pokazale da neutrino ima masu”.
No, šta su uopšte neutrini? Ako zavirimo u osnovnu postavku Standardnog modela, teorije koja sa uspehom i brojnim eksperimentalnim potvrdama opisuje svet elementarnih čestica i objašnjava strukturu sveukupne materije u svemiru, možemo primetiti da elementarne čestice kao osnovne gradivne elemente fizičari dele na dve ključne grupe – u jednoj grupi su leptoni, a u drugoj kvarkovi.
Život kvarkova je vrlo neobičan, ali presudno je da oni grade hadrone, teške čestice među kojima su proton i neutron, od kojih je na primer sačinjeno atomsko jezgro. Grupu leptona čini njih šest i uz njih još šest njihovih antičestica. Među njima su dobro znani elektron i njegova antičestica, pozitron, kao i Mi i Tau lepton i njihove antičestice.
No, uz njih, u leptone spada i jedna prateća, pomalo egzotična grupa čestica koje nemaju naelektrisanje i za koju se do otkrića ovogodišnjih Nobelovih laureata verovalo i da nemaju masu. To su tri vrste neutrina – elektronski, mionski i tauonski neutrino, kao i njihove antičestice.
Ako složite celu sliku, videćete svet letpona kao vrlo uredno klasifikovan na elektron, mion, taon i tri njihova neutrina. I uz to, antičestice svih njih. Neutrina je inače prvi predvideo Volfang Pauli, a ime im je dao jedan od najvećih fizičara XX veka, Enriko Fermi, nazivajućih ih “mali neutralni” na italijanskom. Ustaljeno, neutrina se obeležavaju grčkim slovom “ni”, ν.
Neutrina, sve tri vrste, fizičari danas jako dobro opisuju matematikom Standardnog modela. Fizičke karakteristike neutrina su izuzetno zanimljive, budući da su to čestice koje praktično ne intereaguju sa drugom materijom, ništa ih ne zaustavlja i prostiru se svemirom na ogromnim rastojanjima putujući kroz duge epohe.
Bez naelektrisanja, neutrina nazaustavljivo prolaze kroz sva elektromagnetna polja i gotovo da nemaju ništa sa elektromagnetnom interakcijom. Neutrina su čestice koje ne samo da bukvalno prolaze kroz zid, nego nesmetano putuju i kroz čitave planete i galaksije. Smatra se da bi kroz tvrdi materijal mogli da putuju dužinom jedne čitave svetlosne godine, a da se ne sudare ni sa jednom česticom materijala.
Pratite Nobelovu nedelju 2015.
Odakle potiču neutrina? Kao i drugi leptoni, neutrina ne učestvuju ni u reakcijama gde deluje takozvana jaka interakcija jer je ona rezervisana za kvarkove, ali su zato prisutni tamo gde deluje takozvana slaba interakcija. Takva stvar se u prirodi događa na Suncu, u procesu fuzije, odnosno ”spajanja” jezgara vodonika u helijum, zbog koje zvezde oslobađaju tako silnu energiju.
Tipična fuziona reakcija koja se odvija na Suncu i njoj sličnim zvezdama podrazumeva lančane sudare protona iz jezgara vodonika, tokom kojih se oslobađa energija, ali i “nusproizvodi”, od kojih je jedan i – neutrino. Na primer, u sudaru četiri protona oslobodiće se energija i nastaće jezgro helijuma sa dva protona i dva neutrona, dok će preostati pozitroni i pride neutrina.
Zahvaljujući tome sa Sunca, ali i sa drugih sličnih zvezda, neprekidno stižu velike količine ovog nusprodukta procesa fuzije. Neutrina koja stižu na Zemlju bez zaustavljanja prodiru kroz atmosferu, ali potom bez reakcije odlaze dalje, kroz planetu. Fizičari pokušavaju da ih “ulove”, odnosno uoče, pomoću ogromnih detektora (na slici), ali ovaj lov nije nimalo jednostavan. Hvatati neutrine je uporedivo sa lovom na duhove koji prolaze kroz zidove.
Međutim, to nije jedina muka sa neutrinima. Broj neutrina koji je na ovaj način sa Sunca uspevao da se ulovi nije odgovarao onom što bi se moglo očekivati. Nakon upornih merenja, još od šezdesetih godina, postalo je jasno da iz nekog razloga do Zemlje stiže samo trećina neutrina koja nastaju u procesima na Suncu.
Gde su nestali ostali, budući da ni sa čim nisu mogli da intereaguju? Ovo pitanje je dugo bilo poznato kao problem, odnosno misterija solarnih neutrina. Sve tačnija merenja i sve bolje simulacije procesa na Suncu su samo sve tačnije pokazivale da nešto zaista nije u redu – kao da dve trećine neutrina negde nestaje. A do detektora zaista stiže samo jedna trećina onog tipa neutrina koji nastaje na Suncu (elektronskog).
Do rešenja se došlo zahvaljujući smeloj pretpostavci o oscilacijama neutrina. Prema njoj, neutrina nakon što napuste Sunce menjaju svoj tip između tri identiteta. Tako ispada kao da od Sunca na put kreće skupina jabuka, a na Zemlju stiže grupa koju čini trećina pomorandži, trećina smokvi i trećina jabuka. Takva prepostavka, budući da neutrina neprekidno prelaze iz jednog u drugi tip – iz jabuka u pomorandže, iz pomorandži u smokve, itd. – po Standardnom modelu podrazumeva i da neutrina imaju – masu.
Početkom XXI veka, ovogodišnji laureat Takaši Kadžita sa detektora Super-kamiokande je objavio otkriće da se atmosferska neutrina tokom svog puta menjaju između dva identiteta. U međuvremenu, istraživačka grupa u Kanadi, predvođena Arturom Mekdonaldom demonstrirala je da neutrina sa Sunca ne nestaju tokom svog puta do Zemlje, već da do detektora stižu sa različitim identitetima.
Ove eksperimentalne potvrde za rešenje problema starog više decenija su trajno promenile fiziku neutrina, ali i čitav Standardni model. U vreme kad se to desilo, pre 13 godina, Nobelov komitet nagradio je Reja Dejvisa i Masatoši Košibu za otkriće od pre pola veka da samo jedna trećina polaznog tipa neutrina sa Sunca stiže do Zemlje, čime je misterija neutrina zapravo bila postavljena.
Poslovično oprezna Švedska akademija nauka, bar kad je reč o nagradama u fizici, sačekala je potom više od jedne decenije da rešenje odstoji i da nagradi i one koji su problem razrešili.
Istražite više o Nobelovim nagradama 2015.
Istražite više o Nobelu prethodnih godina