Нобелa за физику у 2015. освојили су Такаки Каџита из Јапана и Артур Мекдоналд из Канаде за решење деценијама старе мистерије неутрина
Текст: Слободан Бубњевић
Нобелов комитет за физику у 2015. години наградио је истраживања у области физике неутрина, малих, мистериозних и узбудљивих честица које се јављају у читавом универзуму, а којима се упорно бави једна специфична група заљубљеника. Наиме, овогодишњу награду су равномерно поделили Такаки Каџита из истраживачке колаборације Супер-камиоканде, са Универзитета у Токију у Јапану и Артур Мекдоналд из Неутрино опсерваторије Садбури, при Универзитету Квинс у Канади (на слици изнад).
Физичари Каџита и Мекдоналд су награђени за радове који су у великој мери дефинисали савремену физику елементарних честица и објаснили једну од њених најпознатијих мистерија која се односила на неутрина. Како је Нобелов комитет саопштио, награду су добили ”за откриће неутрино осцилација, које су показале да неутрино има масу”.
Но, шта су уопште неутрини? Ако завиримо у основну поставку Стандардног модела, теорије која са успехом и бројним експерименталним потврдама описује свет елементарних честица и објашњава структуру свеукупне материје у свемиру, можемо приметити да елементарне честице као основне градивне елементе физичари деле на две кључне групе – у једној групи су лептони, а у другој кваркови.
Живот кваркова је врло необичан, али пресудно је да они граде хадроне, тешке честице међу којима су протон и неутрон, од којих је на пример сачињено атомско језгро. Групу лептона чини њих шест и уз њих још шест њихових античестица. Међу њима су добро знани електрон и његова античестица, позитрон, као и Ми и Тау лептон и њихове античестице.
Но, уз њих, у лептоне спада и једна пратећа, помало егзотична група честица које немају наелектрисање и за коју се до открића овогодишњих Нобелових лауреата веровало и да немају масу. То су три врсте неутрина – електронски, мионски и тауонски неутрино, као и њихове античестице.
Ако сложите целу слику, видећете свет летпона као врло уредно класификован на електрон, мион, таон и три њихова неутрина. И уз то, античестице свих њих. Неутрина је иначе први предвидео Волфанг Паули, а име им је дао један од највећих физичара XX века, Енрико Ферми, називајућих их “мали неутрални” на италијанском. Устаљено, неутрина се обележавају грчким словом “ни”, ν.
Неутрина, све три врсте, физичари данас јако добро описују математиком Стандардног модела. Физичке карактеристике неутрина су изузетно занимљиве, будући да су то честице које практично не интереагују са другом материјом, ништа их не зауставља и простиру се свемиром на огромним растојањима путујући кроз дуге епохе.
Без наелектрисања, неутрина назаустављиво пролазе кроз сва електромагнетна поља и готово да немају ништа са електромагнетном интеракцијом. Неутрина су честице које не само да буквално пролазе кроз зид, него несметано путују и кроз читаве планете и галаксије. Сматра се да би кроз тврди материјал могли да путују дужином једне читаве светлосне године, а да се не сударе ни са једном честицом материјала.
Пратите Нобелову недељу 2015.
Одакле потичу неутрина? Као и други лептони, неутрина не учествују ни у реакцијама где делује такозвана јака интеракција јер је она резервисана за кваркове, али су зато присутни тамо где делује такозвана слаба интеракција. Таква ствар се у природи догађа на Сунцу, у процесу фузије, односно ”спајања” језгара водоника у хелијум, због које звезде ослобађају тако силну енергију.
Типична фузиона реакција која се одвија на Сунцу и њој сличним звездама подразумева ланчане сударе протона из језгара водоника, током којих се ослобађа енергија, али и “нуспроизводи”, од којих је један и – неутрино. На пример, у судару четири протона ослободиће се енергија и настаће језгро хелијума са два протона и два неутрона, док ће преостати позитрони и приде неутрина.
Захваљујући томе са Сунца, али и са других сличних звезда, непрекидно стижу велике количине овог нуспродукта процеса фузије. Неутрина која стижу на Земљу без заустављања продиру кроз атмосферу, али потом без реакције одлазе даље, кроз планету. Физичари покушавају да их “улове”, односно уоче, помоћу огромних детектора (на слици), али овај лов није нимало једноставан. Хватати неутрине је упоредиво са ловом на духове који пролазе кроз зидове.
Међутим, то није једина мука са неутринима. Број неутрина који је на овај начин са Сунца успевао да се улови није одговарао оном што би се могло очекивати. Након упорних мерења, још од шездесетих година, постало је јасно да из неког разлога до Земље стиже само трећина неутрина која настају у процесима на Сунцу.
Где су нестали остали, будући да ни са чим нису могли да интереагују? Ово питање је дуго било познато као проблем, односно мистерија соларних неутрина. Све тачнија мерења и све боље симулације процеса на Сунцу су само све тачније показивале да нешто заиста није у реду – као да две трећине неутрина негде нестаје. А до детектора заиста стиже само једна трећина оног типа неутрина који настаје на Сунцу (електронског).
До решења се дошло захваљујући смелој претпоставци о осцилацијама неутрина. Према њој, неутрина након што напусте Сунце мењају свој тип између три идентитета. Тако испада као да од Сунца на пут креће скупина јабука, а на Земљу стиже група коју чини трећина поморанџи, трећина смокви и трећина јабука. Таква препоставка, будући да неутрина непрекидно прелазе из једног у други тип – из јабука у поморанџе, из поморанџи у смокве, итд. – по Стандардном моделу подразумева и да неутрина имају – масу.
Почетком XXI века, овогодишњи лауреат Такаши Каџита са детектора Супер-камиоканде је објавио откриће да се атмосферска неутрина током свог пута мењају између два идентитета. У међувремену, истраживачка група у Канади, предвођена Артуром Мекдоналдом демонстрирала је да неутрина са Сунца не нестају током свог пута до Земље, већ да до детектора стижу са различитим идентитетима.
Ове експерименталне потврде за решење проблема старог више деценија су трајно промениле физику неутрина, али и читав Стандардни модел. У време кад се то десило, пре 13 година, Нобелов комитет наградио је Реја Дејвиса и Масатоши Кошибу за откриће од пре пола века да само једна трећина полазног типа неутрина са Сунца стиже до Земље, чиме је мистерија неутрина заправо била постављена.
Пословично опрезна Шведска академија наука, бар кад је реч о наградама у физици, сачекала је потом више од једне деценије да решење одстоји и да награди и оне који су проблем разрешили.
Истражите више о Нобеловим наградама 2015.
Истражите више о Нобелу претходних година