Неђељко Јекнић

05. 07. 2023. 07:44   >>  07:44 2

НОВИ ПОГЛЕД НА НАШУ ГАЛАКСИЈУ

Неутрино – честица дух

Сваке секунде, кроз вас док читате овај текст или кроз мене док га пишем, пролази 100 билиона неутрина. А то је број који има цифру 1 па онда четрнаест нула иза. Неутрине не можемо видјети а врло тешко их је и открити. Скоро да немају масу, немају електрични набој и јако ријетко ступају у било какву интеракцију са другим честицама. Стога их срећом не можемо осјетити, што би се рекло – не боли.

Иако би на први поглед помислили, па добро, због чега би се онда уопште занимали нечим тако ситним и небитним, за рад на пољу неутрина су до сада додијељене двије цијеле и двије подијељене Нобелове награде за физику. Прије неколико дана десила су се два важна догађаја у двије гране мање познате али изузезно преспективне астрономије. Неутрино астрономија је направила слику наше галаксије Млијечни пут добијену од ИцеЦубе детектора а гравитациона астрономија је у склопу НАНОГрав пројекта показала да се цијели свемир таласа. Овог пута ћемо о неутринима.

Како смо дошли до неутрина

Да би схватили шта је неутрино и како су људи уопште дошли до спознаје тако мале честице, морамо се вратити назад у историју. И то много давну. У 4. и 5. вијеку прије нове ере Леукип и Демокрит су сматрали да је све око нас састављено из атома. И још су тврдили да су сами атоми најмање могуће честице које нису даље дјељиве на мање. Ово изузетно размишљање било је много испред свог времена јер тада нису имали ни представу шта би тај атом могао бити. До сазњања да атом није најмања јединица свега што нас окружује требало је причекати више од двије хиљаде година. Крајем деветнаестог вијека јавила се претпоставка да постоји нешто мање од атома.

Конкретно, британски физичар Ј.Ј. Томпсон је закључио да катодни зраци са којима је тада радио могу да путују много даље него што би се очекивало за честице величине атома. Прорачунао је да је маса тих честица 1000 пута мања од масе атома водоника. Тај догађај је уједно и прекретница, откривен је електрон који је атому одузео титулу најмање честице.

Али ту је тек отворена Пандорина кутија. Наредних деценија се открива протон, па неутрон и тако су почетком тридесетих година прошлог вијека били познати основни састојци материје: електрони, протони и неутрони. Ипак, ствари се поново нису уклапале, многи прорачуни и нова истраживања су указивала да ту није крај.

Аустријски физичар Волфганг Паули је 1931. године претпоставио да поред електрона који носе енергију при бета распаду (тип радиоактивног распада) мора постојати још нека честица која носи дио енергије. У прорачунима је дакле недостајао дио енергије и он је као „кривца“ означио нову честицу која је на идеју Енрика Фермија названа неутрино, или по италијанском мали неутрон.

Потврда Паулијеве претпоставке услиједила је 25 година касније и то користећи детектор који се састојао од два резервоара воде 12 метара испод земље. Извор неутрина је био нуклеарни реактор удаљен 11 метара од детектора. За овај посао, скоро тридесет година касније, Фредерик Рејнес је 1995. године добио Нобелову награду док његов колега Клајд Кован није дочекао ту врсту признања.

Тридесетих година су редом “падале” нове честице, откривен је позитрон, мезон, мион и даље је ствар ескалирала до шездесетих година прошлог вијека да би данас било познато преко 200 врста честица. То је представљало ноћну мору за истраживаче. Услед тога је настала потреба да се направи нека подјела и да се све то „каталошки“ сложи у Стандардни модел – теорију у физици елементарних честица која описује три од четири фундаменталне силе у природи: електромагнетизам, јаку и слабу нуклеарну интеракцију. Ова теорија је усклађена са два носећа стуба данашње физике: са квантном механиком и са теоријом реалтивности, али ипак није комплетна теорија јер не укључује гравитацију као четврту силу интеракције.

Како се детектује неутрино?

Због својих особина описаних на почетку текста, неутрино је назван дух честица – скоро па је невидљив и неухватљив. Ипак, данас има неколико метода за откривање ових честица, али ћемо се држати два најпознатија детектора. Један од њих је Камиоканде у Јапану. Смјештен је 1000 м испод земље у некадашњем руднику. Састоји се од цилиндричног челичног резервора од 40 метара који је напуњен водом. Зидови овог резервоара су прекривени са преко 11 000 електронских цијеви (насловна фотографија овог текста) које су веома осјетљиви детектори свјетлости. 

Планина која се налази изнад детектора елиминише нежељени шум и честице које ометају праћење неутрина, који као што је већ речено – пролазе кроз све. Када се неутрино судари са молекулом воде у резервоару (а то се дешава врло ријетко) свјетлосни сигнал који настаје регистроваће неки од хиљада електронских детектора. Овај детектор користи то што неутрино када оствари судар са електронима или језгрима атома воде производи наелектрисану честицу која се креће брже од брзине свјетлости у води (свјетлост се у води креће око 75% своје брзине коју има у вакуму).

Последња верзија јапанског детектора се зове Супер Камиоканде и може детектовати неутрине из различитих извора укључујући Сунце, супернове, атмосферу или вјештачки створене неутрине.Супер Камиоканде је заслужан за слику Сунца која овако на први поглед не изгледа баш спектакуларно, нарочито ако се узме у обзир резолуција. Али, слика је направљена ноћу! Дакле, Камиоканде је снимао Сунце када је оно са друге стране у односу на Земљу и детектовао неутрине који прођу кроз нашу планету.

ИцеЦубе, вјероватно најчуднији телескоп за који сте чули

Иако је Камиоканде већ довољно специфичан и нестандардан уређај, ИцеЦубе је плод још невјероватније идеје. Опсерваторија са сједиштем на Антарктику представља једну огромну коцку леда која је опремљена мрежом сензора. Ови сензори свијетле када детектују појаву неутрина, а на основу распореда сезора се одређује енергија и правац који има неутрино.

Управо то се користи да се одреди правац из ког ове сићушне честице долазе из свемира. Сензори се постављају на низове од по 60 модула на дубинама између 1450 и 2450 метара у рупе које су отопљене помоћу бушилице са топлом водом.У свакој секунди ИцеЦуб успијева да детектује кишу од више хиљада неутрина, али већина њих долази од космичких зрака и зато је велики задатак филтрирати и изабрати само оне неутрине који долазе из галактичких извора. Ово захтијева селекцију и одбацивање свих неутрина који представљају шум, али опет се мора пазити да се филтрирањем не избаце и неутрини који долазе од посматраног извора.

Тим који ради у ИцеЦубе опсерваторији је успио да реконструише слику наше галаксије Млијечни пут користећи податке које је детектор успио прикупити последњих десет година. Ово је заправо прва слика наше галаксије која није настала визуелно, односно детекцијом свјетлости, већ детекцијом неутрина.Када својим очима видимо ноћно небо, фотони са сваке звијезде коју видимо након што пређу милионе километара ударају у наше очне јабучице и ту се завршавају. Тако закључујемо да се тамо налази нека звијезда. Ипак, ово оптичко посматрање има неких недостатака и отежавајућих околности.

Прашина која се простире широм галаксија распршује много фотона и онемогућавају стандардним телескопима да виде. За разлику од фотона, неутрини се пробијају кроз прашину и њиховом детекцијом можемо посматрати галаксије или небеска тијела која иначе не би могли видјети. Ово би најбоље могли упоредити са нашим видом – можемо видјети своју руку, али без рендгена нећемо видјети скелетну структуру руке.

Важно је напоменути да и ИцеЦубе гледа ка доље, односно хвата неутрине који долазе са супротне стране планете, да би сама Земља исфилтрирала све остале непотребне честице. ИцеЦубе даје увид у космос који није могуће видјети уобичајеним телескопима. Дугорочени циљ овог пројекта је стварање слике цијелог Универзума, а у наредним годинама ће нам сигурно дати много јаснију слику наше галаксије те показати скривене карактеристике и детаље.

Практично све што смо до сада сазнали о космосу произлилази из посматрања фотона. Радио таласи, инфрацрвено зрачење, видљива свјетлост, ултрачјубичасти таласи, редгенски и гама зраци – сви су то електромагнетни таласи састављени од фотона. Са неутрино астрономијом отворено је ново поглавље.

Телескоп који може да региструје честице на које не утичу гасови, прашина и вртложна магнетна поља и које до нас стижу директно из својих извора, скоро па брзином свјетлости, представља будућност посматрања. Честица која не би осјетила пролазак кроз оловну плочу дебљине неколико свјетлосних година је идеалан носилац информација за много тога што не знамо о космосу. Добродошли у еру нове астрономије!