1 miesiąc temu

Wszystko o neutrinach, czyli nasz wywiad z doktorem Pawłem Przewłockim

Jakiś czas temu mieliśmy przyjemność odwiedzić Narodowe Centrum Badań Jądrowych. Jest to rządowy ośrodek, który zajmuje się zarówno nauką stosowaną (posiada reaktor atomowy w Świerku), a także naukami podstawowymi, czyli takimi, które nie przynoszą nam bezpośrednich zastosowań, chodzi tu raczej o to, żeby lepiej poznać naturę.

Przeprowadziliśmy rozmowę z doktorem Pawłem Przewłockim, który jest fizykiem cząstek elementarnych specjalizującym się w badaniach neutrin. Razem z innymi polskimi fizykami cząstek bierze udział w japońskim eksperymencie T2K, badającym tajemnicze zjawisko oscylacji tych cząstek.

Co to są neutrina i co o nich wiemy, dowiecie się z rozmowy poniżej.

 

Ciekawe: Powiedział Pan, że jest Pan fizykiem cząstek elementarnych. Kim właściwie są fizycy cząstek elementarnych? Czym dokładnie się zajmują?

 

Dr Paweł Przewłocki: Fizycy cząstek elementarnych zajmują się najmniejszymi składnikami materii, czyli takimi cząsteczkami, których nie widzimy na co dzień, ale jednak jesteśmy w stanie je obserwować. W jaki sposób możemy to robić? Możemy na przykład rozpędzać je do dużych energii i je zderzać. W ten sposób widzimy co się dzieje w tym mikroświecie. Mówiąc o mikroświecie mam na myśli świat subatomowy. Wiemy, że nasz świat składa się z atomów, wewnątrz nich  są jądra atomowe, a te składają się z protonów i neutronów. Ale protony i neutrony nie są do końca cząstkami elementarnymi, to znaczy można je jeszcze podzielić na mniejsze części.

Nas najbardziej interesują cząstki elementarne, czyli takie, które są niepodzielne, których nie będziemy w stanie już rozbić. Nawet jeśli będziemy je zderzać z innymi cząstkami, które są bardzo energetyczne, to nie zobaczymy żadnej wewnętrznej struktury. Wspomniane protony i neutrony składają się z trzech kwarków, które według naszej wiedzy są najmniejszymi składnikami materii. Oprócz kwarków mamy jeszcze leptony, czyli na przykład znany wszystkim elektron, ale również miony i taony (takie cięższe elektrony) oraz trzy cząstki, które są najmniej znane i które mają bardzo małą masę i nie mają też ładunku (w przeciwieństwie do na przykład elektronów) i to są neutrina.

Dwie rodziny cząstek elementarnych, które można znaleźć we wszechświecie.
(źródło: wiz.pl)

 

Pan specjalizuje się w neutrinach. A spotkaliśmy się tutaj aby właśnie o nich porozmawiać. Może Pan przybliżyć nam czym są neutrina?

 

Neutrina są cząstkami elementarnymi należącymi do rodziny leptonów. Prawie nie mają masy oraz w ogóle nie posiadają ładunku elektrycznego.

Neutrina mogą mieć trzy, jak to mówimy, zapachy. To oznacza, że są trzy typy neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Rozróżniamy je w ten sposób, że neutrina elektronowe potrafią wyprodukować elektron (w zderzeniu na przykład z jądrem atomowym), mionowe potrafi wyprodukować mion, a taonowe – taon.

Jeśli chodzi o neutrina, to są tajemnicze cząstki dlatego, że one bardzo słabo oddziałują z czymkolwiek, w przeciwieństwie na przykład do protonów. Przez każdego i każdą z nas w tej chwili lecą biliony neutrin, w każdej sekundzie, i nic nam się nie dzieje, a gdyby leciały przez nas biliony protonów to umarlibyśmy w bardzo krótkim czasie. Neutrina są nieszkodliwe właśnie dlatego, że praktycznie nie oddziałują z materią. W ciągu całego naszego życia zaledwie kilka neutrin będzie oddziaływać w naszym ciele, więc nie jest to specjalnie groźne.

 

A jak się to wszystko zaczęło? Jaka jest historia badań nad neutrinami?

 

Temat neutrin pierwszy raz pojawia się we wczesnych latach 30. XX wieku. A pojawia się dzięki zjawisku badanemu przez fizyków już w zasadzie od początku XX wieku – rozpadowi beta. Jest to sposób rozpadu jądra atomowego, taki, jakiemu podlegają pierwiastki promieniotwórcze. .

Mamy jądro atomowe, które podlega przemianie i emituje elektron. Na początku wydawało się, że efektem tego procesu będzie  nowe jądro i ten elektron. Ale wiemy z fizyki, jeszcze ze szkoły, że energia musi być zachowana. Czyli energia przed procesem i po procesie musi być taka sama. Nie może się zmienić. W tych badaniach okazywało się, że jest za mało energii w stanie końcowym.

Pojawiły się wtedy nawet pomysły, że może prawo zachowania energii nie jest tak ścisłe jak się do tej pory wydawało. Ale był jeden odważny fizyk, który się nazywał Wolfgang Pauli, i on zaproponował, że może tam jest jeszcze jakaś cząstka, trzecia, która jest produkowana w tym procesie, tylko po prostu do tej pory nie byliśmy w stanie jej zaobserwować. Nadał jej nazwę neutron. Po dwóch czy trzech latach naukowcy, badając inne procesy, odkryli coś, co również nazwali neutronem (i ta nazwa się przyjęła) , wobec tego nowa cząstka Pauliego została przemianowana na neutrino przez Enrico Fermiego, zresztą wybitnego fizyka. I od tego czasu nazywamy ją neutrinem. Nazwa oznacza małą cząstkę bez ładunku elektrycznego (neutralną).

Mimo tego, że Pauli był bardzo sceptyczny, że ta cząstka zostanie kiedykolwiek zaobserwowana, pierwszy raz neutrino zaobserwowano (to znaczy zaobserwowano efekty jego oddziaływań) w latach 50. Zrobiło to dwóch fizyków amerykańskich Frederick Reines i Clyde L. Cowan, za co dostali nagrodę Nobla. Była to pierwsza nagroda Nobla w dziedzinie neutrin.

Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorze pęcherzykowej, 13.11.1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (μ-meson) i pionu (π-meson). (źródło: wikipedia)

Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorze pęcherzykowej, 13.11.1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (μ-meson, w rzeczywistości lepton) i pionu (π-meson).
(źródło: wikipedia)

 

Skąd w ogóle zainteresowanie neutrinami?

 

Pierwszy powód jest filozoficzny. Interesuje nas wszechświat, interesuje nas poznanie. Badania neutrin to są badania podstawowe. Nie są motywowane bezpośrednio chęcią zysku czy zrobienia jakiegoś biznesu, urządzenia, bezpośredniego zastosowania tego.

Kiedyś dzwonił do mnie jakiś dziennikarz, to było przy okazji obserwacji antymaterii w CERNie i bardzo chciał się dowiedzieć, czy można zrobić broń na antymaterię. No nie można zrobić broni na neutrina, w każdym razie nic o tym nie wiem żeby można było.

Natomiast jest to ciekawe samo w sobie. Są to informacje, które się bardzo przydają teoretykom w budowaniu różnych modeli, które opisują mikroświat. Tworzymy teorie, które opisują świat tych cząstek, jak one oddziałują, jakie tam są siły, które pomiędzy nimi działają, itd. Cząstki takie jak neutrina mogą nam również coś powiedzieć o fundamentalnej strukturze Wszechświata. Na przykład o tym jak powstał Wszechświat, co się działo podczas Wielkiego Wybuchu, co się dzieje w gwiazdach, jak gwiazdy się tworzą, co się dzieje w gwiazdach supernowych, kiedy one wybuchają, itp.  Nie jesteśmy w stanie tego bezpośrednio dotknąć. Możemy to tylko obserwować z daleka. Dzięki doświadczeniom na Ziemi jesteśmy w stanie się dowiedzieć co się tam dzieje, w tych dalekich obiektach. Więc to samo jest po prostu interesujące.

Do badania neutrin używamy urządzeń, które takie cząstki łapią (czyli detektorów), ale wcześniej trzeba je wyprodukować za pomocą innych urządzeń. Bywa i tak, że nie musimy ich produkować bo po prostu przylatują do nas z kosmosu.

Wnętrze Super-Kamiokande (fot. dr Paweł Przewłocki)

Wnętrze Super-Kamiokande
(fot. dr Piotr Mijakowski)

Neutrina są dla nas ważne dlatego, że mogą do nas przylecieć z dalekich zakątków kosmosu niezakłócone. Właśnie dlatego, że nie oddziaływują. Taki na przykład proton czy elektron dlatego, że jest naładowany, podlega działaniu sił elektromagnetycznych i jego tor może być zakrzywiony przez te siły. Jeśli na przykład zaobserwujemy proton na Ziemi to nie wiemy skąd on tak naprawdę przyleciał, gdzie on był wyprodukowany, bo po drodze różne siły zmieniły jego ruch, może jeszcze oddziaływał z gazem międzygwiezdnym, jakieś nowe cząstki się pojawiły, więc nawet nie wiemy jaka to była cząstka na początku.

A neutrino leci sobie po prostu po linii prostej bo praktycznie nie oddziaływuje z niczym. Gaz międzygwiezdny, a nawet planety czy gwiazdy nie są żadną przeszkodą. Szansa na to, że będzie oddziaływało jest bliska zeru.

Ale z drugiej strony to jest też problem. Bo skoro szansa na oddziaływanie jest bardzo mała, to bardzo trudno je złapać. Detektor neutrin, czyli urządzenie łapiące te cząstki, działa w taki sposób, że obserwuje ich oddziaływania z materią. Czyli musimy mieć oddziaływanie neutrina z inną cząstką, żeby móc zaobserwować produkty tych oddziaływań. Dopiero wtedy możemy na przykład powiedzieć, że przyszło neutrino elektronowe, mamy jego energię, kierunek i tak dalej.

Więc, żeby zwiększyć szansę “złapania” neutrina, musimy budować bardzo wielkie urządzenia. Gdyby urządzenia były małe to obserwowalibyśmy np. jedno neutrino na rok i to absolutnie nie spełniałoby naszych wymagań. Chcemy mieć tych neutrin wystarczająco dużo, żeby móc coś o nich powiedzieć.

 

A co mogą nam dać takie badania – oprócz samej wiedzy i poznania? Czy istnieją jednak jakieś namacalne korzyści?

 

Jeśli chodzi o badania podstawowe to doświadczenie mówi, że te rzeczy, które kiedyś były robione dla przyjemności przez jakąś wąską grupę naukowców, po pewnym czasie się okazywały bardzo przydatne praktycznie.

Na przykład prąd elektryczny. Na początku uznawany był za jakieś dziwactwo. Nie wiadomo było do czego można tego użyć. A w tej chwili nie wyobrażamy sobie życia bez niego. Więc tak to trzeba traktować.

Kolejny przykład: badania fizyki jądrowej z lat 30., 40., 50. były robione z czystej ciekawości, a efekt tego jest taki, już nawet pomijając to, że mamy bombę jądrową czy energetykę jądrową, że mamy wszystkie te małe akceleratory, których używa się w medycynie do naświetlania raka, różnych takich rzeczy. To jest wszystko konsekwencja tego, że 60 czy 70 lat temu ktoś nad tym siadł i zaczął to badać.

Dodatkowo jeszcze należy pamiętać, że wszelkie badania wymagają odpowiedniej technologii. Aby zbudować detektor potrzebujemy nowych technologii czy rozwiązań.

Weźmy na przykład laboratorium CERN w Genewie. Powstało tam mnóstwo wynalazków, które nie wiążą się bezpośrednio z fizyką cząstek, ale są to urządzenia, które po prostu trzeba było wymyślić, żeby akcelerator czy detektory działały. W ten sposób napędza to rozwój techniki.

To są takie współzależne części. Mamy badania podstawowe, które pociągają za tobą całą tę infrastrukturę, którą trzeba postawić.  Cały kraj, w którym buduje się laboratorium  korzysta z badań, bo na przykład przedsiębiorcy zatrudniani do tworzenia tej infrastruktury są najczęściej miejscowi.

Detekcja neutrin daje nam też ciekawe możliwości. Wyobraźmy sobie, że gdzieś istnieje nielegalny reaktor jądrowy, o którym nie wiemy, ale podejrzewamy jego istnienie. W takim wypadku możemy na przykład zainstalować detektor na jakiejś łodzi podwodnej i widzimy, że zauważa on strumień neutrin, którego nie powinno tam być. Akurat tego się obecnie nie da zrobić – dlatego, że te detektory póki co są bardzo duże, wobec tego nie da się żadnego umieścić na łodzi podwodnej. Ale ponieważ nie da się zatrzymać neutrin to reaktor chcąc nie chcąc będzie emitował neutrina we wszystkich kierunkach.

 

Dobrze, wiemy już coś o badaniach nad neutrinami. A jak neutrina powstają? Jakie są ich źródła?

 

Neutrina pochodzą z różnych źródeł. Przylatują do nas na przykład ze wspomnianych już reaktorów jądrowych. Poza tym zarówno Słońce, jak i inne gwiazdy, emitują neutrina.

Neutrina produkowane w Słońcu są efektem ubocznym reakcji termojądrowych, w których nasza gwiazda produkuje energię. We wnętrzu Słońca zachodzi synteza jądrowa od wodoru, helu do cięższych pierwiastków. I podczas tych procesów, choć nie wszystkich, pojawiają się neutrina.

 

Neutrina słoneczne obserwowane przez Super-Kamiokande. (źródło: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/)

Neutrina słoneczne obserwowane przez Super-Kamiokande.
(źródło: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/)

Dzięki temu, badając neutrina ze Słońca, możemy dowiedzieć się ciekawych rzeczy o procesach, które odbywają się wewnątrz naszej gwiazdy.

Neutrina mogą także przychodzić do nas z dalekich galaktyk. Ponieważ cząstki te słabo oddziaływują, to mogą nam przynieść informacje z takich zakątków wszechświata, do których normalnie nie mielibyśmy dostępu i z których nie mamy tak bezpośrednich informacji.

Wiemy, że nawet światło ulega zniekształceniu. Jeśli jest na przykład wielka chmura gazu międzygwiezdnego, to ona nas po prostu zasłania. A neutrina przelatują przez gwiazdy czy inną materię i dolatują do nas praktycznie niezakłócone.

Jest jeszcze coś takiego jak aktywne jądra galaktyk. Są takie galaktyki, które mają jądro, w którym, jak podejrzewają naukowcy, jest naturalny akcelerator cząstek. Może to być czarna dziura, która emituje strumienie cząstek o bardzo wysokich energiach.Najprawdopodobniej te cząstki się później rozpadają i jednym z efektów tych rozpadów są właśnie neutrina.

Eksperyment IceCube na biegunie południowym bada takie właśnie neutrina kosmiczne. Mogą one mieć bardzo wysoką energię. Łatwo jest je odróżnić, bo nie ma, a przynajmniej my nie znamy, innych źródeł tak wysokoenergetycznych neutrin.

Mamy jeszcze neutrina z atmosfery. Jest promieniowanie kosmiczne – to są cząstki, najczęściej protony, które przychodzą do nas z kosmosu i one rozbijają się w górnych warstwach atmosfery. Produkuje się wtedy dużo cząstek, całe kaskady, które ciągle przenikają ziemską atmosferę. Między innymi tworzą się tam neutrina. Właśnie badając te atmosferyczne neutrina pierwszy raz zaobserwowano zjawisko oscylacji neutrin.

 

A jak rozpoznajecie neutrina, które są z galaktyki a które są z innych miejsc (atmosferyczne)? Zapewne różnią się one energiami.

 

Tak, dokładnie. Zacznę od tego, że my energię wyrażamy w elektronowoltach. Im większa energia cząstki tym więcej może wyprodukować cząstek w zderzeniu (które same też mogą mieć więcej energii). Wyobraźmy sobie samochód, który rozpędzony narobi więcej szkody niż gdy stoi. Tak samo jest z cząstkami.

Rozpoznanie neutrin słonecznych jest stosunkowo łatwe. Mają niską energię i znamy kierunek, z którego przylatują. Z atmosfery lecą ze wszystkich stron, ale to są energie o wiele wyższe (ok. tysiąca razy). Neutrina z odległych galaktyk mogą mieć energie miliony albo nawet miliardy razy wyższe.

Neutrina z dalekich galaktyk miewają też niższe energie, ale wtedy giną pośród tych atmosferycznych. Mieszają się, energie są podobne, a my nie wiemy z jakich kierunków one mogą przychodzić. Więc nie jesteśmy w stanie ich wtedy odróżnić.

Idea eksperymentu IceCube na biegunie południowym jest taka, żeby te niżej energetyczne neutrina od razu odrzucać, bo i tak nie jesteśmy w stanie ich odróżnić. Wybieramy tylko te bardzo wysokoenergetyczne , co do których jesteśmy pewni, że nie pochodzą z atmosfery.

Eksperyment Ice Cube. (źródło: icecube.wisc.edu)

Eksperyment Ice Cube.
(źródło: icecube.wisc.edu)

 

A czy może Pan powiedzieć coś więcej o samym badaniu neutrin? Jak się je sztucznie tworzy? Jak się je wykrywa? W jaki sposób bada się neutrina? Czy można, a jeśli tak to w jaki sposób, stworzyć sztucznie neutrina? Czy robi się to celowo, aby je badać?

 

Już wiemy, że można to robić we wspomnianych wcześniej reaktorach jądrowych. Oprócz tego mamy sztuczne wiązki neutrin. Od pewnego czasu, od około kilkunastu lat, potrafimy produkować silne wiązki neutrin i kontrolować ich energię.

Robi się to podobnie jak na przykład w CERNie – korzystając z akceleratora, czyli przyspieszacza cząstek, w którym rozpędza się protony. Różnica jest tylko taka, że w akceleratorze LHC w CERNie zderzają się dwie przeciwbieżne wiązki protonów i naukowcy badają co z tego wyjdzie, natomiast akceleratory, które produkują neutrina, rozpędzają protony, po czym kierują ich strumień w blok na przykład grafitu i dzięki temu tworzy się dużo różnych cząstek, z których część po jakimś czasie się rozpada na neutrina.

Zanim te cząstki się rozpadną możemy je skupić w jedną wiązkę jakimś magnesem. Kiedy już się rozpadną, nad neutrinami nie mamy żadnej kontroli. Żadne pola ani siły, które kontrolujemy, na nie nie działają.

Wnętrze detektora neutrin. (źródło: theodysseyonline.com)

Wnętrze detektora neutrin Super-Kamiokande.
(źródło: theodysseyonline.com)

Kiedy te pierwotne cząstki po zderzeniu się rozpadną i wyemitują neutrina, to te neutrina lecą dalej. I potem nie trzeba budować żadnego tunelu dla tych neutrin pod ziemią, bo one sobie po prostu lecą przez Ziemię. Trzeba je tylko skierować w stronę detektora, żeby można je było tam obserwować. Taki eksperyment prowadzony jest w tej chwili w Japonii. Nazywa się T2K i nasza grupa jest uczestnikiem tego eksperymentu.

Na wschodnim wybrzeżu japońskim, 150 km od Tokio, jest akcelerator, który produkuje wiązkę neutrin, ona leci przez całą wyspę Honsiu, 300km, do detektora Super-Kamiokande, który łapie neutrina na zachodzie wyspy, w Alpach Japońskich.

Eksperyment Super-Kamiokande jest znany m.in. z tego, że rok temu została przyznana Nagroda Nobla za odkrycie dokonane w tym eksperymencie. Dostał ją profesor Takaaki Kajita, szef grupy, która odkryła zjawisko oscylacji neutrin 18 lat temu. Jest to bardzo znany eksperyment. To już drugi naukowiec biorący udział w tym  eksperymencie, który zdobył Nagrodę Nobla. To znane laboratorium i do tego bardzo fotogeniczne.

 

Naukowcy pracujący w Super-Kamiokande. (fot. dr Paweł Przewłocki)

Naukowcy pracujący w Super-Kamiokande.
(fot. dr Piotr Mijakowski)

 

Kilka razy wspomniał już Pan o zjawisku oscylacji neutrin. Na czym to polega? Czym jest oscylacja neutrin?

 

Można powiedzieć, że oscylacja neutrin to spontaniczna zamiana jednego typu neutrina w drugie. To było zawsze interesujące dla fizyków dlatego, że okazuje się, że taka zamiana jest możliwa tylko wtedy, gdy neutrina mają masę.

Przez dłuższy czas podejrzewano, że neutrina są bezmasowe. Od wielu jednak lat eksperymenty publikowały dane, z których wynikało iż mimo, że spodziewano się z różnych źródeł określonej liczby neutrin jakiegoś typu, to obserwowano ich mniej.

Wynikało z tego, że być może zamieniają się one w jakieś inne neutrina. Dopiero japoński eksperyment Super-Kamiokande pod koniec lat 90. ostatecznie udowodnił, że neutrina oscylują.

Udowodniono to na neutrinach atmosferycznych: neutrina mionowe, które tam były badane, zanikają i transformują się w innego typu neutrina, w tym wypadku akurat głównie w neutrina taonowe.

(źródło: nobelprize.org)

(źródło: nobelprize.org)

Od tego czasu mnóstwo eksperymentów pokazało ten fenomen i jest on ciągle badany. W naszym eksperymencie T2K też badamy zjawisko oscylacji neutrin.

Pierwszym człowiekiem, który zaczął badać neutrina pochodzące z naturalnych źródeł był Raymond Davis, za co zresztą dostał później Nagrodę Nobla.

Przewidywano wtedy, że neutrina powinny lecieć ze Słońca, więc przeprowadził on eksperyment, który miał spróbować zaobserwować te neutrina. Zrobił taki eksperyment pod ziemią. To był baniak ze środkiem chemicznym, w którym oddziaływały neutrina. W tamtych czasach istniały już teorie, które przewidywały ile tych neutrin powinno do nas ze Słońca przychodzić. Ale badania pokazywały, że ich jest za mało. Ludzie mówili, że Davis źle przeprowadził eksperyment, że coś jest źle policzone, albo że może sama teoria jest błędna.

Jednak on się nie poddawał, ulepszał eksperyment, robił testy, a teoretycy ulepszali modele teoretyczne, ale neutrin wciąż było za mało. W końcu się okazało, że to na skutek oscylacji neutrin. Davis obserwował jeden rodzaj neutrin, ale one oscylowały w inny rodzaj, który jego aparatura nie obserwowała. I właśnie za to dostał Nagrodę Nobla.

Morał z tego jest taki, że czasem nie warto słuchać tego, co ludzie mówią i robić swoje. I wtedy jest duża szansa, że się dostanie Nobla (śmiech).

 

Wróćmy do samych neutrin i ich właściwości. Jak to jest w ogóle możliwe, że nie oddziaływują z żadną materią w żaden sposób?

 

Należy zacząć od tego, że mamy cztery siły na poziomie cząstek elementarnych.

Są siły elektromagnetyczne. Sprawiają one, że jestem w stanie dotknąć i poczuć ten stół, to że chodzimy, odpowiadają one za tarcie, i tak dalej.

Są siły silne, czyli takie, które trzymają kwarki wewnątrz nukleonów.

Są oddziaływania grawitacyjne, wszyscy je znamy, ale na tym poziomie mikro one są bardzo słabe, niewiele wnoszą.

Są też oddziaływania słabe, związane z rozpadem beta i to są właśnie jedyne oddziaływania, którym podlegają neutrina. Wobec tego, skoro oddziaływania słabe, jak sama nazwa wskazuje, są słabe, więc prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina z czymkolwiek jest wiele razy mniejsze niż na przykład prawdopodobieństwo oddziaływania elektromagnetycznego protonu.

 

Cząstki naładowane – takie, które mają ładunek elektryczny – podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym. Neutrino nie ma tego ładunku, więc im nie podlega. Są też cząstki, które podlegają oddziaływaniom silnym, ale neutrina i tym oddziaływaniom nie podlegają. To jest po prostu inny rodzaj cząstki. Dlatego tak późno je odkryliśmy i dlatego tak trudno je badać. Ale jednocześnie mając takie fascynujące właściwości, są tak bardzo dla nas interesujące a badania nad nimi mogą nam dużo powiedzieć o różnych rzeczach.

 

Wiemy, że są 4 oddziaływania podstawowe i neutrina słabo oddziaływują. Czy istnieje możliwość, że jest jeszcze jakieś, nieznane nam, oddziaływanie?

 

Oczywiście, że tak. Zawsze jest taka możliwość, że czegoś nie wiemy. Ale co to może być? Ponieważ tego nie wiemy, to… trudno powiedzieć. Zawsze ludzie na jakimś etapie byli przekonani, że już prawie wszystko wiedzą. Pod koniec XIX wieku któryś ze znanych fizyków [Albert A. Michelson] stwierdził, że w zasadzie nie przewiduje już żadnych wielkich odkryć, tylko lepszej precyzji pomiarów. Powiedział to w bardzo kiepskim momencie, bo zaraz przed sformułowaniem teorii względności Einsteina, itd.

W tej chwili jest akurat taki moment, że odkrywamy nowe rzeczy, ale to są takie odkrycia, takie cegiełki, które dokładamy. Jeśli chodzi o neutrina to ostatnim ważnym było odkrycie oscylacji neutrin.

W świecie cząstek nie ma w tej chwili zbyt wiele odkryć fundamentalnych, które zmieniają całkowicie nasze widzenie mikroświata. Więc może to jest właśnie ten okres, że zaraz coś zacznie się dziać… Bo to zwykle działa okresowo. Coś mocnego się dzieje, potem jest spokój, i tak dalej.

Przez wiele lat dominującą teorią była fizyka newtonowska, potem się pojawiła teoria względności i fizyka kwantowa. Co nie oznacza, że nagle fizyka Newtona nie jest prawdziwa. Ona jest prawdziwa, ale można ją (w dobrym przybliżeniu) zastosować do obiektów występujących w naszym życiu codziennym, natomiast mikroświat się rządzi innymi prawami. Tak samo fizyka newtonowska jest prawdziwa dla niskich prędkości a do wysokich prędkości mamy teorię Einsteina. I niemożliwe jest przewidzenie co dalej jest do odkrycia. Z samej natury rzeczy.

Naukowcy mówią – zbadajmy i zobaczmy co z tego wyjdzie. Może będzie ciekawie.

 

Wróćmy jeszcze na chwilę do samych detektorów. Może Pan nam więcej coś o nich powiedzieć? Pański zespół aktywnie współpracuje z japońskim Super-Kamiokande. Jak wygląda proces obserwowania i badania neutrin?

 

To jest fajny temat, bo detektory cząstek są bardzo fotogeniczne. Na przykład nasz detektor Super-Kamiokande, który robił badania, za które potem przyznano Nagrodę Nobla, to jest po prostu olbrzymi pojemnik na wodę. Taki walec, który ma wysokość 40 metrów, okrągła podstawa ma również średnicę ok. 40 metrów. Wewnątrz detektora mieści się 50 tysięcy ton wody. Musi być jej dużo, żeby była duża szansa, że neutrina będą tam oddziaływać. Mimo tego, że jest tam aż 50 tysięcy ton wody to dziennie neutrin z atmosfery, czyli tych, których jest najwięcej, obserwujemy tylko około dwudziestu. A przez jedną sekundę przelatują ich biliony – ale większość z nich w ogóle nie oddziaływuje.

Idea tego detektora jest taka, że samo neutrino nie jest widziane, ale jak ono strzeli w jakieś jądro atomu, który jest w wodzie (a woda to związek chemiczny tlenu i wodoru, więc reakcje następują z jądrami atomowymi tych pierwiastków), to zostaną wyprodukowane jakieś cząstki.

 

Wnętrze detektora Super-Kamiokande. (fot. dr Paweł Przewłocki)

Wnętrze detektora neutrin Super-Kamiokande.
(fot. dr Paweł Przewłocki)

Jeśli na przykład jest to neutrino mionowe to może zostać wyprodukowany mion (czyli taki ciężki elektron) i jeśli on ma wystarczająco dużo energii to emituje światło w tym detektorze. Detektor jest całkowicie ciemny w środku, bo to światło jest bardzo słabe, czasami rzędu pojedynczych fotonów, więc musi być kompletnie ciemno, żeby czujniki były w stanie je w ogóle zarejestrować.

Na ścianach detektora są umieszczone fotopowielacze, czyli czujniki światła. Wyglądają jak duże żarówki. To są bardzo dokładne czujniki światła. Łapią światło i przekazują informacje dalej, do komputerów, które przetwarzają sygnały.

Fotopowielaczy jest 11 tysięcy, więc komputer musi przetworzyć mnóstwo sygnałów. To proces, który nazywamy rekonstrukcją, czyli staramy się zgadnąć, co się zdarzyło w detektorze. Na przykład widząc obraz z fotopowielaczy mówimy – to był mion, a skoro mion to zaobserwowaliśmy neutrino mionowe. Teraz możemy z grubsza oszacować z jakiego kierunku ono przyszło, jaką miało energię, itd. I tak to mniej więcej wygląda.

Zbieranie danych trwa bez przerwy wiele lat. W zależności od tego skąd neutrina pochodzą i jaką mają energię, stosujemy różne algorytmy. Są bardzo zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji, które potrafią rozpoznać różne rodzaje sygnałów.

Następnie zbieramy te sygnały i robimy analizę. Jesteśmy wtedy w stanie coś powiedzieć o tych neutrinach. Jakie mają energie, ile ich zaobserwowaliśmy, później to porównujemy z teorią i patrzymy – zgadza się czy się nie zgadza.

Kiedy w eksperymencie Super-Kamiokande badaliśmy oscylacje neutrin to porównywaliśmy dane z teorią, która tych oscylacji nie przewidywała. Istniały inne, konkurencyjne teorie, które przewidywały inne zjawiska w miejsce oscylacji.. I okazało się, że te teorie, które przewidują oscylacje neutrin dużo lepiej pasują do tych naszych danych niż te, które nie przewidywały oscylacji. I w ten właśnie sposób się z grubsza bada się teorie naukowe. Czyli bierzemy teorię i zbieramy dane żeby móc sobie porównać. I albo wychodzi, że teoria zgadza się z danymi albo się nie zgadza i wtedy ją falsyfikujemy – to jest zła teoria, dziękujemy.

Ludzie sobie z tego często nie zdają sprawy – codziennie pojawiają się tysiące teorii. Praca teoretyków wygląda w tej chwili tak, że oni produkują mnóstwo publikacji z różnymi przewidywaniami i tylko mały procent tych teorii się potem w praktyce okazuje prawdziwy. To w pewnym sensie dobrze, bo jest mnóstwo nowych pomysłów i można takie pomysły sprawdzić.

Nasz eksperyment Super-Kamiokande to jest jeden rodzaj detektora – detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa. Bo to, że te cząstki świecą tam w tym detektorze to właśnie jest zjawisko Czerenkowa. Ale są oczywiście jeszcze inne detektory.

Na przykład takie, które zawierają w sobie nie wodę ale jakiś inny materiał – to może być gaz, ciecz albo ciało stałe.. Na przykład mieliśmy eksperyment we Włoszech, który się nazywał Icarus i to był prostopadłościan wypełniony ciekłym argonem. I w tym ciekłym argonie zachodzą ciekawe zjawiska.

Wiemy, że samych neutrin nie jesteśmy w stanie zaobserwować. Możemy zobaczyć cząstki powstałe na skutek oddziaływania neutrina. Jeśli neutrino strzeli sobie w jakiś atom to mamy cząstki wtórne, jak elektrony czy miony. I te cząstki możemy zobaczyć.

I ta technika jest o tyle interesująca, że możemy zobaczyć całe obrazki, widać tory, po których poruszają się cząstki wtórne. Nie widać sygnałów z fotopowielaczy, tylko widać dokładnie którędy te cząstki sobie poszły. To jest bardzo obiecujący rodzaj detektora, ale są z nim problemy. Argon trzeba na przykład schładzać do niskiej temperatury.

Tory neutrin w eksperymencie ICARUS. (źródło: Universe Today)

Tory neutrin w eksperymencie ICARUS.
(źródło: Universe Today)

Należy jeszcze wyjaśnić dlaczego wszystkie eksperymenty są budowane głęboko pod ziemią. W skrócie dlatego, że my chcemy obserwować neutrina, a nie inne cząstki. Gdybyśmy postawili taki eksperyment na ziemi to mielibyśmy mnóstwo śmieci i różnych innych cząstek, które nam wpadają i które by zakłócały obraz. Mielibyśmy mnóstwo oddziaływań i nie wiedzielibyśmy, które pochodzą od neutrin, a które na przykład z mionów z atmosfery czy jakichś innych źródeł.

Więc budujemy głęboko pod ziemią, a głęboko to znaczy na przykład kilometr, i wszystkie te cząstki, które do nas dolatują i które są zwykle naładowane, one się w tej skale zatrzymają. Będą tam oddziaływać i już nam nie dolecą do detektora. Natomiast neutrina, jako że przelatują przez wszystko, dolecą. No i taka jest właśnie tajemnica tego, że budujemy je głęboko pod ziemią.

Warto dodać, że przy tego typu eksperymentach bierze udział duża liczba osób. Na przykład przy T2K pracuje około 400 naukowców. I to są różni ludzie: fizycy, inżynierowie, itd.. Wszyscy uczestnicy dzielą się zadaniami, także to nie jest tak, że jakaś jedna osoba siedzi gdzieś przy jakimś urządzeniu i nagle: Eureka! Coś odkrywa. To jest proces, który do dobrego funkcjonowania wymaga tych kilkuset ludzi. ksperymenty w CERNie potrafią mieć po kilka tysięcy osób. Publikacje w naukowych czasopismach wyglądają tak, że pierwsza strona to są same nazwiska.

 

Cały czas mówimy tu o japońskich eksperymentach. Czy jest tak, że to Japonia przoduje w wykrywaniu i badaniu neutrin?

 

To jest tak, że eksperymenty się buduje tam, gdzie są pieniądze. Japończycy mocno inwestują w naukę, ale nie tylko oni. W tej chwili są eksperymenty w Chinach (reaktorowe, czyli z badające neutrina z reaktora elektrowni atomowej). W Stanach Zjednoczonych jest kilka eksperymentów.

Są plany budowy nowego dużego eksperyment w Japonii, który będzie następcą eksperymentu T2K. Jest też na świecie dużo mniejszych eksperymentów związanych z fizyką jądrową na przykład badające jakieś reakcje jądrowe, które mogłyby nam coś powiedzieć o masie neutrina. Ale to są już takie bardziej kameralne eksperymenty.

Utrzymanie eksperymentów jest drogie, to są miliony a czasem nawet miliardy dolarów. Wiadomo, że budowanie tego typu dużych urządzeń zawsze jest kosztowne w porównaniu z pensją normalnego człowieka i dla nas trudno jest sobie wyobrazić taką kasę, ale jeśli chodzi o budżet krajów, które są w to zaangażowane, to nie są to duże wartości. Jeśli na przykład porówna się te koszty z budżetami militarnymi i to nawet nie Stanów Zjednoczonych, tylko jakichś mniejszych krajów, to nie są wcale duże koszty.

Eksperyment T2K. (źródło: t2k-experiment.org)

Eksperyment Super-Kamiokande.
(źródło: t2k-experiment.org)

Zawsze jest to jakiś wybór w co inwestujemy, ale wydaje mi się, że to, że na przykład Japonia, czy Chiny w tej chwili bardzo mocno inwestują w fizykę cząstek pokazuje jakie są ich motywy. Warto inwestować w takie rzeczy, bo one się w końcu zwrócą. Nie mówiąc o tym, że zwracają się w, powiedzmy, sposób prestiżowy, bo jeśli Japończyk dostaje Nagrodę Nobla to jest to prestiż dla całej Japonii a te właśnie państwa dalekowschodnie są bardzo czułe na takie kwestie.

Tam w ogóle nauka jest bardzo szanowana. Kiedy ja na na przykład rozmawiam ze zwykłymi Japończykami to jak słyszą, że pracuję w Super-Kamiokande to zawsze jest wielka radość i wielki szacunek, że robię coś tak ważnego. W Europie jest trochę inaczej. Może i są ludzie w jakiś sposób zainteresowani tematem, ale nie ma takiego prestiżu i szacunku z tym związanych.

 

Jaka jest rola Polaków w badaniu neutrin? Czy możemy się tutaj pochwalić jakimiś wyjątkowymi dokonaniami?

 

Zacznę od tego, że ja jestem fizykiem doświadczalnym. W ogóle fizycy dzielą się na doświadczalników i teoretyków. Teoretycy siedzą nad kartką papieru albo komputerem i opracowują nowe teorie. Doświadczalnicy siedzą nad komputerami czy jakimiś urządzeniami, i obserwują zjawiska opisywane przez te teorie. Żeby efekt był dobry to musi być współpraca obu grup. Jeśli chodzi o fizykę neutrin w Polsce, to doświadczalne badawcze grupy polskie to jest Katowice, Kraków i Warszawa, są też teoretycy z Wrocławia. Pracujemy głównie w T2K, w tym japońskim eksperymencie.

Każdy doświadczalnik musi mieć swój eksperyment, dlatego, że musi mieć jakieś dane, na których pracuje. Żeby mieć jakiś eksperyment to trzeba się do jakiegoś zapisać. Polska nie prowadzi żadnych dużych eksperymentów, bo po prostu nie mamy na to funduszy. Jak już mówiłem, to są wielkie pieniądze i wielkie urządzenia. Nasz akcelerator w Japonii jest niewiele mniejszy od tego w CERNie. To są po prostu grube miliardy dolarów, które w to muszą iść.

My bierzemy udział w eksperymencie japońskim, ale wiemy już, że część z nas będzie brała udział również w przyszłym eksperymencie amerykańskim. Można powiedzieć, że jeśli chodzi o fizyków neutrin to jesteśmy na samym froncie tych badań. Detektor Super-Kamiokande, który jest częścią eksperymentu T2K, odegrał główną rolę w odkryciu zjawiska oscylacji neutrin, za które przyznano nagrodę Nobla. W T2K natomiast odkryliśmy (razem z naukowcami z całego świata uczestniczącymi w tym eksperymencie) pewien rodzaj oscylacji, który jest interesujący, więc możemy być z tego dumni.

 

Co dalej można zrobić z badaniami? Jaka jest przyszłość?

 

Jak już mówiłem w eksperymentach badamy różne właściwości neutrin. Ale oprócz wspomnianej oscylacji jest jedna rzecz, która nas szczególnie interesuje. Chodzi o łamanie symetrii CP. To jest symetria przestrzenno-ładunkowa.

Zdaję sobie sprawę z tego, że skomplikowanie to brzmi, ale z grubsza chodzi o symetrię między materią a antymaterią. Jest taka możliwość, że cząstki materii i antymaterii zachowują się odrobinę inaczej.

Czemu w ogóle nas to interesuje? Nasz świat składa się z materii, prawda? I nie widać za bardzo świadectw faktu, że gdzieś może istnieć także antymateria w jakichś większych ilościach. Istnieje takie zjawisko, które się nazywa anihilacją. Jeśli mamy na przykład obłok materii i obłok antymaterii, to gdy one wejdą ze sobą w kontakt to cząstki materii i antymaterii anihilują, produkując dużo promieniowania. Gdybyśmy stworzyli w laboratorium jakieś atomy antymaterii (i to ludzie potrafią robić), to trzeba je trzymać w pułapce żeby tylko przypadkiem materia do nich nie dotarła bo od razu nastąpi anihilacja. Dlatego jest tak trudno stworzyć antymaterię w laboratorium.

Teorie przewidują, że podczas Wielkiego Wybuchu powinna być równowaga między materią a antymaterią. Więc coś się musiało stać w czasie Wielkiego Wybuchu, albo jakiś czas po nim, że materia zaczęła dominować we Wszechświecie – w końcu jesteśmy złożeni z materii. Gdyby ta równowaga była zachowana, to świat prawdopodobnie składałby się z samego promieniowania. Hipoteza jest więc taka, że być może materia i antymateria się trochę inaczej zachowują i są jakieś procesy, które faworyzują naszą materię. I podczas Wielkiego Wybuchu ta materia zaczęła dominować. To mogą być właśnie te procesy, które łamią symetrię CP. I takie procesy znaleziono już na przykład w CERNie dla innych cząstek niż neutrina, a my szukamy w tej chwili takich procesów dla neutrin.

Neutrina też mają swoje antycząstki, czyli mamy neutrina i antyneutrina i badamy ich oscylacje i to, jak się różni ich zachowanie. W tym momencie jednak nasz eksperyment jeszcze zbyt krótko zbierał dane, żeby podawać konkluzywne wyniki. Mamy jakieś małe podpowiedzi, że być może te zachowania są troszeczkę inne ale musimy zebrać jeszcze dużo więcej danych, żeby móc coś powiedzieć.

Nowe eksperymenty, które są planowane w Stanach i w Japonii, czyli DUNEi Hyper-Kamiokande mają właśnie za zadanie odpowiedzieć na to pytanie. To będą to naprawdę olbrzymie eksperymenty. Na przykład detektor Hyper-Kamiokande będzie 25 razy większy od obecnego Super-Kamiokande. Dużo pieniędzy trzeba na to wydać, wię nie jest jeszcze do końca postanowione czy ten detektor powstanie. Ale prowadzone są prace przygotowawcze.

Będą to eksperymenty, które będą miały bardzo silną wiązkę neutrin i bardzo duże detektory, tak żeby zebrać jak najwięcej tych oddziaływań. Bo im więcej ich zbierzemy tym większą będziemy mieć pewność że istnieje różnica między neutrinami a antyneutrinami.

Jeszcze innym kierunkiem jest tak zwana astronomia neutrinowa.

Widzimy neutrina z dalekich części kosmosu. Możemy sobie wyobrazić, że jeśli będzie ich wystarczająco dużo, będziemy mogli dokonywać obserwacji podobnych do obserwacji w świetle widzialnym – w końcu światło to też są cząstki (fotony).

Oczywiście światła obserwujemy dużo dużo więcej, niż kiedykolwiek zaobserwujemy neutrin, ale mimo wszystko można robić mapę nieba na przykład. I to właśnie robi w tej chwili eksperyment IceCube, który sam w sobie jest bardzo interesujący dlatego, że to jest eksperyment, który działa na biegunie południowym. A działa na biegunie południowym dlatego, że tam jest dużo lodu. Naukowcy postanowili, że wykorzystają ten lód jako naturalne medium, w którym neutrina będą oddziaływać. To jest coś na podobieństwo tego naszego detektora Super-Kamiokande, w którym jest woda, z tym że tam  sami ją wlaliśmy.

Natomiast detektor na biegunie południowym wykorzystuje lód, który tam po prostu jest i jest bardzo przezroczysty. Oczywiście to nie jest ten lód na samej powierzchni bo on jest mniej sprasowany i jest mniej czysty, ale jak się zejdzie kilometr pod powierzchnię to to co tam jest już odpowiada on wymaganiom naukowców

Technika detekcji w IceCube jest podobna jak w Super-Kamiokande – cząstki wyprodukowane w oddziaływaniach neutrin świecą i my rejestrujemy to światło. Naukowcy wymyślili, że wytopią pionowe kanaliki w lodzie, na głębokość kilometra i na odpowiednich kablach wtopią tam małe detektory światła. Wygląda to trochę jak koraliki. Robią to w ten sposób, że gorącą wodą rozpuszczają lód, wkładają detektory, a potem to wszystko samo zamarza. Trzeba pamiętać, że już później się ich nie wyjmie, jak się coś zepsuje to już się tego nie naprawi.

Tych łańcuszków jest tam około osiemdziesięciu, są tam zatopione w lodzie, natomiast końcówki kabli są podłączone do komputerów, w bazie na biegunie południowym i tam odbywa się analiza sygnałów zarejestrowanych przez aparaturę…

Budynek Ice Cube. (źródło: www.astrowatch.net)

Budynek Ice Cube.
(źródło: www.astrowatch.net)

Sam detektor jest wielki – mierzy kilometr na kilometr na kilometr. Jest skontruowany tak, by mógł łapać neutrina o bardzo wielkiej energii, pochodzące z kosmosu. A czemu wielkość detektora jest związana z energią? Im większa energia cząstki, tym więcej jest światła, które się pojawi wewnątrz detektora. Na przykład taka cząstka często produkowana w oddziaływaniach neutrin, mion, który ma bardzo dużą energię będzie bardzo długo promieniował zanim się zatrzyma. Więć żeby złapać to całe światło musimy zbudować coś olbrzymiego. Coś co jest dużo większe niż Super-Kamiokande, które też jest dość duże (40 m wysokości, a w IceCube jest kilometr).

W Ice Cube badamy wielkie energie – z tym, że mniej precyzyjnie. Ale dzięki temu widzimy neutrina, które przylatują z dalekich części kosmosu i które mają wielkie energie, co daje nam wgląd w to co dzieje w najdalszych zakątkach Wszechświata.

Jest jeszcze bardzo podobny eksperyment do IceCube tylko, że w wodzie. Jest w tej chwili budowany w Morzu Śródziemnym. Ludzie wpadli na pomysł, że “no w tym lodzie to super eksperyment, ale to jednak jest drogie przedsięwzięcie, więc spróbujmy zrobić coś podobnego, ale tańszego: np. w morzu”. Zrobimy łańcuszki z czujnikami i zanurzymy je w wodzie i zobaczmy czy możemy obserwować oddziaływania neutrin. Pojawiają się komplikacje, bo wiadomo – w morzu żyje dużo różnych zwierząt i one zakłócają obserwacje. Są prądy morskie, które poruszają detektorkami. Trzeba to wszystko uwzględnić.

Detektor ten jest budowany niedaleko Nicei i naukowcy planują mieć dobre pomiary neutrin wysokoenergetycznych.

Kolejnym kierunkiem dla badań jest zbieranie coraz więcej tych danych i zidentyfikowanie obszarów, z których one pochodzą. Bo w tej chwili zaobserwowanych neutrin wysokoenergetycznych jest może kilkadziesiąt. Więc trudno się zorientować czy one pochodzą z jakichś konkretnych obiektów astronomicznych. Astrofizycy mają wytypowane obiekty, o których myślą, że tam zachodzą procesy przyspieszania różnych cząstek, które powodują produkcję wysokoenergetycznych neutrin – to tzw. aktywne jądra galaktyk Byłoby dobrze się dowiedzieć, czy to stamtąd właśnie te neutrina przychodzą. Czyli musimy zebrać dużo danych i zobaczyć czy to tam jest więcej neutrin niż w innych częściach nieba. Zbliża to nas wtedy do potwierdzenia hipotezy, że tego typu obiekty produkują wysokoenergetyczne neutrina. W taki pośredni sposób zwiększamy naszą wiedzę na temat procesów fizycznych we Wszechświecie.

 

Serdecznie dziękujemy panu doktorowi Pawłowi Przewłockiemu, panu rzecznikowi Markowi Sieczkowskiemu oraz wszystkim pracownikom Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Warszawie za zaproszenie, rozmowę i bardzo ciekawy wykład.

Pan doktor Paweł Przewłocki (drugi z lewej) i redakcja ciekawe.org