Неђељко Јекнић

NOVI POGLED NA NAŠU GALAKSIJU

Neutrino – čestica duh

Svake sekunde, kroz vas dok čitate ovaj tekst ili kroz mene dok ga pišem, prolazi 100 biliona neutrina. A to je broj koji ima cifru 1 pa onda četrnaest nula iza. Neutrine ne možemo vidjeti a vrlo teško ih je i otkriti. Skoro da nemaju masu, nemaju električni naboj i jako rijetko stupaju u bilo kakvu interakciju sa drugim česticama. Stoga ih srećom ne možemo osjetiti, što bi se reklo – ne boli.

Пише: Види све колумне

Iako bi na prvi pogled pomislili, pa dobro, zbog čega bi se onda uopšte zanimali nečim tako sitnim i nebitnim, za rad na polju neutrina su do sada dodijeljene dvije cijele i dvije podijeljene Nobelove nagrade za fiziku. Prije nekoliko dana desila su se dva važna događaja u dvije grane manje poznate ali izuzezno prespektivne astronomije. Neutrino astronomija je napravila sliku naše galaksije Mliječni put dobijenu od IceCube detektora a gravitaciona astronomija je u sklopu NANOGrav projekta pokazala da se cijeli svemir talasa. Ovog puta ćemo o neutrinima.

Kako smo došli do neutrina

Da bi shvatili šta je neutrino i kako su ljudi uopšte došli do spoznaje tako male čestice, moramo se vratiti nazad u istoriju. I to mnogo davnu. U 4. i 5. vijeku prije nove ere Leukip i Demokrit su smatrali da je sve oko nas sastavljeno iz atoma. I još su tvrdili da su sami atomi najmanje moguće čestice koje nisu dalje djeljive na manje. Ovo izuzetno razmišljanje bilo je mnogo ispred svog vremena jer tada nisu imali ni predstavu šta bi taj atom mogao biti. Do saznjanja da atom nije najmanja jedinica svega što nas okružuje trebalo je pričekati više od dvije hiljade godina. Krajem devetnaestog vijeka javila se pretpostavka da postoji nešto manje od atoma.

Konkretno, britanski fizičar J.J. Tompson je zaključio da katodni zraci sa kojima je tada radio mogu da putuju mnogo dalje nego što bi se očekivalo za čestice veličine atoma. Proračunao je da je masa tih čestica 1000 puta manja od mase atoma vodonika. Taj događaj je ujedno i prekretnica, otkriven je elektron koji je atomu oduzeo titulu najmanje čestice.

Ali tu je tek otvorena Pandorina kutija. Narednih decenija se otkriva proton, pa neutron i tako su početkom tridesetih godina prošlog vijeka bili poznati osnovni sastojci materije: elektroni, protoni i neutroni. Ipak, stvari se ponovo nisu uklapale, mnogi proračuni i nova istraživanja su ukazivala da tu nije kraj.

Austrijski fizičar Volfgang Pauli je 1931. godine pretpostavio da pored elektrona koji nose energiju pri beta raspadu (tip radioaktivnog raspada) mora postojati još neka čestica koja nosi dio energije. U proračunima je dakle nedostajao dio energije i on je kao „krivca“ označio novu česticu koja je na ideju Enrika Fermija nazvana neutrino, ili po italijanskom mali neutron.

Potvrda Paulijeve pretpostavke uslijedila je 25 godina kasnije i to koristeći detektor koji se sastojao od dva rezervoara vode 12 metara ispod zemlje. Izvor neutrina je bio nuklearni reaktor udaljen 11 metara od detektora. Za ovaj posao, skoro trideset godina kasnije, Frederik Rejnes je 1995. godine dobio Nobelovu nagradu dok njegov kolega Klajd Kovan nije dočekao tu vrstu priznanja.

Tridesetih godina su redom “padale” nove čestice, otkriven je pozitron, mezon, mion i dalje je stvar eskalirala do šezdesetih godina prošlog vijeka da bi danas bilo poznato preko 200 vrsta čestica. To je predstavljalo noćnu moru za istraživače. Usled toga je nastala potreba da se napravi neka podjela i da se sve to „kataloški“ složi u Standardni model – teoriju u fizici elementarnih čestica koja opisuje tri od četiri fundamentalne sile u prirodi: elektromagnetizam, jaku i slabu nuklearnu interakciju. Ova teorija je usklađena sa dva noseća stuba današnje fizike: sa kvantnom mehanikom i sa teorijom realtivnosti, ali ipak nije kompletna teorija jer ne uključuje gravitaciju kao četvrtu silu interakcije.

Kako se detektuje neutrino?

Zbog svojih osobina opisanih na početku teksta, neutrino je nazvan duh čestica – skoro pa je nevidljiv i neuhvatljiv. Ipak, danas ima nekoliko metoda za otkrivanje ovih čestica, ali ćemo se držati dva najpoznatija detektora. Jedan od njih je Kamiokande u Japanu. Smješten je 1000 m ispod zemlje u nekadašnjem rudniku. Sastoji se od cilindričnog čeličnog rezervora od 40 metara koji je napunjen vodom. Zidovi ovog rezervoara su prekriveni sa preko 11 000 elektronskih cijevi (naslovna fotografija ovog teksta) koje su veoma osjetljivi detektori svjetlosti. 

Planina koja se nalazi iznad detektora eliminiše neželjeni šum i čestice koje ometaju praćenje neutrina, koji kao što je već rečeno – prolaze kroz sve. Kada se neutrino sudari sa molekulom vode u rezervoaru (a to se dešava vrlo rijetko) svjetlosni signal koji nastaje registrovaće neki od hiljada elektronskih detektora. Ovaj detektor koristi to što neutrino kada ostvari sudar sa elektronima ili jezgrima atoma vode proizvodi naelektrisanu česticu koja se kreće brže od brzine svjetlosti u vodi (svjetlost se u vodi kreće oko 75% svoje brzine koju ima u vakumu).

Poslednja verzija japanskog detektora se zove Super Kamiokande i može detektovati neutrine iz različitih izvora uključujući Sunce, supernove, atmosferu ili vještački stvorene neutrine.Super Kamiokande je zaslužan za sliku Sunca koja ovako na prvi pogled ne izgleda baš spektakularno, naročito ako se uzme u obzir rezolucija. Ali, slika je napravljena noću! Dakle, Kamiokande je snimao Sunce kada je ono sa druge strane u odnosu na Zemlju i detektovao neutrine koji prođu kroz našu planetu.

IceCube, vjerovatno najčudniji teleskop za koji ste čuli

Iako je Kamiokande već dovoljno specifičan i nestandardan uređaj, IceCube je plod još nevjerovatnije ideje. Opservatorija sa sjedištem na Antarktiku predstavlja jednu ogromnu kocku leda koja je opremljena mrežom senzora. Ovi senzori svijetle kada detektuju pojavu neutrina, a na osnovu rasporeda sezora se određuje energija i pravac koji ima neutrino.

Upravo to se koristi da se odredi pravac iz kog ove sićušne čestice dolaze iz svemira. Senzori se postavljaju na nizove od po 60 modula na dubinama između 1450 i 2450 metara u rupe koje su otopljene pomoću bušilice sa toplom vodom.U svakoj sekundi IceCub uspijeva da detektuje kišu od više hiljada neutrina, ali većina njih dolazi od kosmičkih zraka i zato je veliki zadatak filtrirati i izabrati samo one neutrine koji dolaze iz galaktičkih izvora. Ovo zahtijeva selekciju i odbacivanje svih neutrina koji predstavljaju šum, ali opet se mora paziti da se filtriranjem ne izbace i neutrini koji dolaze od posmatranog izvora.

Tim koji radi u IceCube opservatoriji je uspio da rekonstruiše sliku naše galaksije Mliječni put koristeći podatke koje je detektor uspio prikupiti poslednjih deset godina. Ovo je zapravo prva slika naše galaksije koja nije nastala vizuelno, odnosno detekcijom svjetlosti, već detekcijom neutrina.Kada svojim očima vidimo noćno nebo, fotoni sa svake zvijezde koju vidimo nakon što pređu milione kilometara udaraju u naše očne jabučice i tu se završavaju. Tako zaključujemo da se tamo nalazi neka zvijezda. Ipak, ovo optičko posmatranje ima nekih nedostataka i otežavajućih okolnosti.

Prašina koja se prostire širom galaksija raspršuje mnogo fotona i onemogućavaju standardnim teleskopima da vide. Za razliku od fotona, neutrini se probijaju kroz prašinu i njihovom detekcijom možemo posmatrati galaksije ili nebeska tijela koja inače ne bi mogli vidjeti. Ovo bi najbolje mogli uporediti sa našim vidom – možemo vidjeti svoju ruku, ali bez rendgena nećemo vidjeti skeletnu strukturu ruke.

Važno je napomenuti da i IceCube gleda ka dolje, odnosno hvata neutrine koji dolaze sa suprotne strane planete, da bi sama Zemlja isfiltrirala sve ostale nepotrebne čestice. IceCube daje uvid u kosmos koji nije moguće vidjeti uobičajenim teleskopima. Dugoročeni cilj ovog projekta je stvaranje slike cijelog Univerzuma, a u narednim godinama će nam sigurno dati mnogo jasniju sliku naše galaksije te pokazati skrivene karakteristike i detalje.

Praktično sve što smo do sada saznali o kosmosu proizlilazi iz posmatranja fotona. Radio talasi, infracrveno zračenje, vidljiva svjetlost, ultračjubičasti talasi, redgenski i gama zraci – svi su to elektromagnetni talasi sastavljeni od fotona. Sa neutrino astronomijom otvoreno je novo poglavlje.

Teleskop koji može da registruje čestice na koje ne utiču gasovi, prašina i vrtložna magnetna polja i koje do nas stižu direktno iz svojih izvora, skoro pa brzinom svjetlosti, predstavlja budućnost posmatranja. Čestica koja ne bi osjetila prolazak kroz olovnu ploču debljine nekoliko svjetlosnih godina je idealan nosilac informacija za mnogo toga što ne znamo o kosmosu. Dobrodošli u eru nove astronomije!