REKLAMA


 

REKLAMA


 

Detektor Super-Kamiokande  – potężny, wytapetowany fotopowielaczami cylinder umieszczony 1000 m pod ziemią w japońskiej miejscowości Kamioka Detektor Super-Kamiokande – potężny, wytapetowany fotopowielaczami cylinder umieszczony 1000 m pod ziemią w japońskiej miejscowości Kamioka Piotr Mijakowski

Odejścia i powroty neutrin

O tym, czym są neutrina, oraz o eksperymencie Super-Kamiokande i udziale w nim Polaków rozmawiamy z prof. dr hab. Ewą Rondio z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.


Rondio_Ewa

Naszą rozmówczynią jest
prof. dr hab. Ewa Rondio

Narodowe Centrum Badań Jądrowych
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

 

prof. dr hab. Ewa Rondio jest fizykiem, dyrektorem naukowym NCBJ, szefową warszawskiej grupy neutrinowej. Była członkiem Biura Dyrekcji Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN).

 


 

Academia: Co to właściwie jest neutrino?

Prof. Ewa Rondio: Jakby dosłownie przetłumaczyć, to „mały neutralny”. To określenie padło, gdy zaproponowano istnienie neutrina, żeby uratować zasadę zachowania energii. Okazało się bowiem, że bez niego nie potrafimy wytłumaczyć, dlaczego w rozpadach β rozkład energii jest ciągły, podczas gdy w rozpadzie dwuciałowym powinna występować jedna stała wartość. Wtedy zresztą uznano ten postulat za bardzo ryzykowny uważając, że takiej cząstki nie uda się zaobserwować. Doświadczalnicy sobie poradzili, acz zajęło to sporo czasu.

 

Mamy trzy rodzaje neutrin. Pojawiają się one w oddziaływaniu wraz z naładowanymi leptonami i ich nazwy pochodzą od nazw tych leptonów. Neutrino elektronowe towarzyszące elektronowi i neutrino mionowe towarzyszące mionowi znane były od dość dawna. Neutrino taonowe, które towarzyszy ciężkiemu leptonowi tau, odkryto już w obecnym stuleciu.

 

Dziś używamy już neutrin jako regularnych cząstek. Badamy neutrina z kosmosu, ale budujemy też wiązki neutrin – kontrolowane, sztuczne, wytworzone na Ziemi.

 

Czym się różnią neutrina kosmiczne od ziemskich?

Tych docierających z kosmosu jest prawie tak dużo jak fotonów w kosmicznym reliktowym promieniowaniu tła, ale ich energie są tak małe, że nie umiemy ich wykryć. Mimo że ich jest bardzo dużo, są dla nas niewidoczne. Obserwujemy tylko neutrina o wyższych energiach – głównie wysyłane przez Słońce.

 

Od wytworzonych na Ziemi na pierwszy rzut oka nie różnią się niczym. Mają jednak trochę inne energie. Z kosmosu przylatuje do nas najwięcej neutrin, a człowiek na Ziemi produkuje najwięcej antyneutrin. Wynika to z faktu, że neutrina słoneczne powstają w wyniku łączenia się lekkich pierwiastków w cięższe, natomiast na Ziemi najwięcej neutrin produkujemy w reaktorach jądrowych, gdzie zachodzą reakcje wywoływane przez neutrony, prowadzące do rozszczepienia jąder atomowych. Wydziela się w nich energia i powstają anty-neutrina.

 

Czyli w Świerku produkujemy antyneutrina?

Tak, ale nie prowadzimy na nich badań. We wszystkich eksperymentach z neutrinami trudność polega na tym, że one niezwykle niechętnie oddziałują. Przelatują przez całą Ziemię i większość z nich nawet tego nie zauważa. Gdybyśmy chcieli pomiary z neutrinami reaktorowymi prowadzić w Świerku, musielibyśmy strasznie długo czekać na zebranie dostatecznej liczby oddziaływań.

 

A jaka wiedza o neutrinach warta była zeszłorocznej Nagrody Nobla?

W różnych eksperymentach, zarówno obserwujących neutrina przychodzące do nas ze Słońca, jak i powstające w atmosferze ziemskiej, nie zgadza się bilans neutrin. Na podstawie modeli przewidywano, ile Słońce powinno wysyłać neutrin elektronowych, a w pomiarach był deficyt. Z kolei w eksperymencie badającym neutrina powstające w atmosferze i przylatujące do detektora z różnych stron stwierdzono, że neutrin przylatujących od spodu, które przeleciały przez całą Ziemię, brakuje najwięcej.

 

Żeby wyjaśnić te deficyty, zaproponowano hipotezę oscylacji. Mówi ona, że neutrino po drodze zmienia swoją tożsamość. Powstaje neutrino pewnego gatunku, później czasami jest tym samym neutrinem, a czasami zmienia się w inne. I te zmiany zależą od energii neutrina i od odległości, którą przebyło. Ponieważ jest to proces cykliczny, czyli neutrina określonego typu znikają, a poźniej znów się pojawiają, nazwano to zjawisko oscylacją. Właśnie za jej odkrycie Nagrodę Nobla w ubiegłym roku otrzymali Takaaki Kajita z eksperymentu Super-Kamiokande, który badał neutrina atmosferyczne, i Arthur B. McDonald z eksperymentu SNO, który badał neutrina słoneczne i pokazał, że nie tylko jeden typ znika, ale też że pojawia się inny. Te eksperymenty pokazały, że suma wszystkich neutrin w detektorze jest zgodna z oczekiwaniami, nawet gdy brakuje neutrin elektronowych. Jeśli chodzi o neutrina słoneczne, to był przełom; dopóki tylko był deficyt neutrin słonecznych, mówiono, że może to model Słońca jest niedokładny. Natomiast pokazanie, że suma się zgadza, tylko neutrina są innego rodzaju, było namacalnym dowodem na oscylacje.

 

To są prace z przełomu wieku: w 1998 roku eksperyment Super-Kamiokande, gdzie Takaaki Kajita był szefem grupy prowadzącej analizę neutrin atmosferycznych, jako pierwszy na konferencji pokazał wyniki ubywania neutrin przychodzących od dołu. Eksperyment SNO, w którym Arthur B. McDonald był współautorem pomysłu i jednym z szefów i który pokazał, że bilans neutrin ze Słońca się zgadza, przeprowadzono we wczesnych latach 2000.

 

Gdzie znajdują się te detektory?

Pod ziemią, żeby odciąć się od tła cząstek naładowanych, które przylatują do nas z kosmosu, oddziałują i śmiecą nam w detektorze. Super-Kamiokande – znajdujący się w Japonii w miejscowości Kamioka – to cylinder wypełniony bardzo czystą wodą, umieszczony w kopalni, na głębokości ponad 1000 metrów. W jego wnętrzu znajdują się olbrzymie – i niezwykle fotogeniczne – fotopowielacze.

 

Neutrina znajdujemy w ten sposób, że obserwujemy produkty ich oddziaływania. Te produkty to już są cząstki naładowane, które zostawiają w detektorze ślady, które potrafimy zmierzyć i na podstawie ich pomiarów możemy wyznaczyć energię neutrina, powiedzieć coś o jego właściwościach. Detektor Super-Kamiokande pokazuje nam ślad cząstki naładowanej, która wędruje w detektorze, jeżeli tylko ta cząstka dostatecznie szybko się porusza.

 

W takich detektorach wykorzystujemy efekt Czerenkowa, w którym cząstka, która się porusza szybciej niż światło w danym ośrodku, świeci. W ośrodku jest to możliwe, bo prędkość cząstki nie przekracza prędkości światła w próżni, która jest największą możliwą prędkością. Detektor eksperymentu SNO też jest detektorem Czerenkowa, tyle że wykorzystywał ciężką wodę, żeby łatwiej było rejestrować oddziaływanie, w którym neutrino pozostaje neutrinem, a tylko na skutek przekazania energii rozbija deuter. Obserwacja produktów takiego rozbicia pozwoliła pierwszy raz policzyć neutrina mionowe.

 

Dlatego mówimy o dwóch rodzajach oddziaływań: charge current, w których z neutrina powstaje cząstka naładowana, i neutral current, czyli takich, w których neutrino pozostaje neutrinem.

 

Jaki udział mają w tych eksperymentach Polacy?

W eksperymencie Super-Kamiokande od samego początku uczestniczyła prof. Danuta Kiełczewska. Brała udział również we wcześniejszych eksperymentach czerenkowowskich, m.in. w pracach z detektorem IMB, który wspólnie z Super-Kamiokande zaobserwował sygnał neutrin z wybuchu supernowej w 1987 roku. Prof. Kiełczewska była tam początkowo jedynym przedstawicielem Polski.

 

Po powrocie do kraju była współtwórczynią polskiej grupy neutrinowej. I to jest twór, którym chyba możemy się dziś chwalić. Mamy obecnie zespół prawie 30 blisko współpracujących osób.

 

Grupa powstała w 2000 roku po to, żeby wziąć udział w eksperymentach na wiązce neutrinowej z CERN-u do Włoch, do laboratorium w Gran Sasso, gdzie budowano wielki detektor ICARUS, w którym ślady cząstek naładowanych obserwuje się nie w wodzie, ale w ciekłym argonie.

 

Później tematyka się poszerzyła, bo eksperyment w Gran Sasso opóźnił się o ładnych kilka lat. Mając zespół gotowy do pracy, podjęliśmy decyzję, że włączymy się w przygotowywany wtedy w Japonii eksperyment T2K, czyli Tokai to Kamioka, który ruszył w 2009 roku, a w 2010 zaobserwował pierwsze neutrina z wiązki. Tokai to miejscowość w Japonii, w której znajduje się akcelerator, który wiązkę neutrin nam przygotowuje. Wysyłamy ją przez całą wyspę Honsiu do Kamioki, gdzie znajduje się podziemny detektor Super-Kamiokande. Ten sam, który pracował wcześniej dla neutrin atmosferycznych. W eksperymencie T2K polskie grupy brały udział w budowie części detektora rejestrującego oddziaływania blisko punktu tworzenia wiązki, aktywnie pracują w analizie danych oraz poprawiają modele opisujące oddziaływania neutrin.

 

Wiązki neutrin są produkowane według recepty, której dostarcza nam przyroda: tak jak neutrina są produkowane w atmosferze. Rozpędzony proton albo jądro uderza w jądro tarczy. W atmosferze szybkie cząstki promieniowania kosmicznego uderzają w jądra azotu i tlenu – w rezultacie powstają mezony, które w swoim rozpadzie produkują neutrina. W sztucznych wiązkach rozpędzamy proton czy jądro, które uderza w tarczę, produkuje mezony, a my staramy się je za pomocą pola magnetycznego zebrać tak, żeby wszystkie leciały w tę samą stronę. A potem czekamy, aż się rozpadną, i wiązka neutrin leci dalej. Ponieważ neutrina nie mają ładunku, nie potrafimy sterować neutrinem po jego powstaniu. Możemy tylko sterować cząstką, z której neutrino powstanie.

 

Jak ważny jest udział polskich badaczy w tych eksperymentach?

Miarą rozwoju i zaangażowania grupy jest to, że w zeszłym roku oprócz Nagrody Nobla za neutrina została też przyznana tak zwana nagroda Breakthrough Prize. To jest nagroda przyznawana zespołom eksperymentalnym i tę nagrodę dostały całe zespoły kilku eksperymentów neutrinowych. Z Polski tę nagrodę dostały 24 osoby! To pokazuje, że grupa jest aktywna. Kryterium przyznania nagrody było współautorstwo publikacji, które uznano za przełomowe.

 

Co było w tych publikacjach?

W tej, za którą nas nagrodzono – pomiar brakującego kąta mieszania, czyli parametru opisującego, jak neutrina zamieniają się jedne w drugie. Dwa kąty były już znane, o tym trzecim wiadomo było, że jest mniejszy niż pozostałe. Eksperyment T2K zmierzył ten kąt w 2011 roku.

 

Jakie są plany polskiej grupy na przyszłość?

Na bliską przyszłość są dwa kierunki. Jeden to kontynuacja T2K. Planowane modyfikacje detektorów pozwolą na zwiększenie dokładności pomiarów i próbę zmierzenia fazy łamania symetrii CP. To bardzo trudny eksperyment, bo opiera się na porównywaniu oddziaływań neutrin i antyneutrin i wyciąganiu wniosków z ewentualnych różnic, które są maleńkie. Drugi kierunek to eksperymenty „z krótką bazą”, w Fermilabie, poszukujące czwartego rodzaju neutrin zwanych sterylnymi. Są sygnały, nie do końca jednoznaczne, że być może coś takiego występuje w przyrodzie. Te neutrina, jeśli w ogóle istnieją, oddziałują jeszcze mniej chętnie niż pozostałe. Ich odkrycie byłoby przełomem, bo oznaczałoby wyjście poza model standardowy, a więc rewolucję w naszym rozumieniu fizyki. W przygotowywanym eksperymencie detektory z ciekłym argonem będą ustawione w różnych, ale stosunkowo małych, odległościach do 2 km od źródła neutrin.

 

A długoterminowe, co w fizyce neutrin znaczy po roku 2025, są dwa projekty eksperymentów z długą bazą. Jeden w Japonii – podobny do T2K, ale ze znacznie większym detektorem Czerenkowa, drugi w Ameryce, z dużym detektorem z ciekłego argonu. Będą badały klasyczną oscylację trzech rodzajów neutrin, ale bardzo precyzyjnie.

 

Dlaczego z naszego punktu widzenia opłaca się w takich eksperymentach uczestniczyć?

Dla osób bezpośrednio zaangażowanych w badania motorem jest na pewno ciekawość naukowa. Ale udział w tych eksperymentach daje nam też szanse poznawania i ściągania do polskich firm technologii na najwyższym światowym poziomie. To są na przykład technologie rejestracji światła – nie tylko te wielkie fotopowielacze, ale na przykład maleńkie krzemowe detektory, które znajdują coraz więcej zastosowań. Poznajemy te technologie i możemy je sprowadzać do naszego przemysłu w postaci zamówień. Jeżeli w danym eksperymencie jest silna grupa z jakiegoś kraju, to ma szanse przekonać pozostałych uczestników, żeby właśnie w jej kraju zamówić produkcję. Przemysł nie tylko zarabia pieniądze, ale też zyskuje dostęp do tej technologii. A to daje z kolei preferencje w przyszłych przetargach.

 

Jest jeszcze jeden aspekt, o którym często się nie myśli. Taka współpraca międzynarodowa to szkoła współpracy, działania w dużym zespole, podporządkowania się, a równocześnie przebicia się ze swoją ideą, ze swoim pomysłem. Coś, co jest nam szalenie potrzebne, a czego nie da się zmierzyć, policzyć ani sprawozdać. Nasze zespoły to grupy kilkuset, a niekiedy kilku tysięcy ludzi, którzy wspólnie coś robią bez żadnych narzędzi administracyjnego nacisku. Szef kolaboracji tak naprawdę nikomu nic nie może nakazać. Może poprosić grupę, żeby coś zrobiła. I to działa! Myślę, że to dużo wnosi do ogólnej kultury kontaktów międzynarodowych i jest absolutnie nie do przecenienia.

 

Rozmawiały Anna Zawadzka i Agnieszka Pollo
zdjęcie Jakub Ostałowski

 

 

 

Polscy badacze „małych neutralnych”

Historia polskiego udziału w eksperymentach neutrinowych wyznaczających parametry oscylacji neutrin zaczęła się od udziału prof. Danuty Kiełczewskiej w eksperymencie IMB, zbudowanym do poszukiwania rozpadu protonu, w którym oddziaływania neutrin były najważniejszym tłem. IMB zaobserwował m.in. neutrina z supernowej 1987A. W tym eksperymencie prof. Kiełczewska pracowała na Uniwersytecie w Irvine w grupie prof. Frederica Reinesa. Potem Uniwersytet Warszawski był oficjalnym partnerem od początku projektu Super Kamiokande. Polska grupa neutrinowa powstała w 2000 roku, wykorzystując doświadczenie prof. Kiełczewskiej w tej dziedzinie. W pracach grupy od początku uczestniczą zespoły z sześciu instytucji z całej Polski. W większości są to grupy eksperymentalne: w Warszawie z NCBJ, Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej; w Krakowie z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, której szefem jest prof. Agnieszka Zalewska, w Katowicach z Uniwersytetu Śląskiego, którą kieruje prof. Jan Kisiel. Tylko na Uniwersytecie Wrocławskim mamy grupę teoretyków, którzy zajmują się modelowaniem oddziaływań neutrin – jej szefem jest prof. Jan Sobczyk. Są bardzo cenieni we współpracy T2K, gdzie pracują nad poprawą sposobu opisywania oddziaływań.

 

© Academia nr 2 (46) 2016

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria materiałowa język językoznawstwo klimatologia kobieta w nauce komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl