Neutrinos mungkin yang paling membingungkan zarah yang diketahui. Mereka hanya meremehkan semua peraturan yang diketahui tentang bagaimana zarah-zarah patut berperilaku. Mereka mengejek pengesan mewah kami. Seperti kucing kosmik, mereka mengejar seluruh alam semesta tanpa bimbang atau peduli, kadang-kadang berinteraksi dengan kita yang lain, tetapi hanya apabila mereka merasa seperti itu, yang secara jujurnya tidak begitu kerap.
Paling mengecewakan semua, mereka memakai topeng dan tidak pernah melihat cara yang sama dua kali.
Tetapi percubaan baru mungkin membawa kita hanya satu langkah yang lebih dekat untuk merobek topeng tersebut. Mengungkap identiti neutrino benar boleh membantu menjawab soalan-soalan yang lama, sama ada neutrino adalah rakan antimatter mereka sendiri, dan bahkan dapat membantu menyatukan daya alam menjadi satu teori yang padu.
Masalah besar-besaran
Neutrinos adalah pelik. Terdapat tiga jenis: neutrino elektron, muon neutrino dan tau neutrino. (Terdapat juga versi antipartikel dari ketiga-tiga mereka, tetapi itu bukan sebahagian besar dari cerita ini.) Mereka dinamakan demikian kerana ketiga-tiga jenis ini dapat berpesta dengan tiga jenis zarah yang berlainan. Elektron neutrino bergabung dengan interaksi yang melibatkan elektron. Muon neutrinos dapat dipasangkan dengan muons. Tiada mata akan diberikan untuk meneka apa tau neutrino berinteraksi dengannya.
Sejauh ini, itu tidak pelik sama sekali. Di sini datang bahagian aneh.
Untuk zarah yang ada tidak neutrinos - seperti elektron, muons dan tau zarah - apa yang anda lihat adalah apa yang anda dapat. Zarah-zarah tersebut sama persis kecuali jisim mereka. Jika anda melihat zarah dengan jisim elektron, ia akan berkelakuan sama seperti elektron harus berkelakuan, dan perkara yang sama berlaku untuk muon dan tau. Apa lagi, sebaik sahaja anda melihat elektron, ia akan menjadi elektron. Tiada lagi, tidak kurang. Sama untuk muon dan tau.
Tetapi yang sama tidak pergi untuk sepupu mereka, elektron, muon dan tau neutrinos.
Apa yang kita panggil, katakan, "tau neutrino" tidak selalu tau neutrino. Ia boleh menukar identitinya. Ia boleh menjadi, midflight, elektron atau muon neutrino.
Fenomena aneh yang pada dasarnya tiada siapa yang menjangkakan dipanggil ayunan neutrino. Ini bermakna, antara lain, anda boleh mencipta neutrino elektron dan menghantarnya kepada rakan terbaik anda sebagai hadiah. Tetapi pada masa yang mereka dapat, mereka mungkin kecewa untuk mencari tau neutrino sebaliknya.
Teeter-totter
Atas sebab-sebab teknikal, ayunan neutrino hanya berfungsi jika terdapat tiga neutrino dengan tiga orang yang berbeza. Tetapi neutrinos yang berayun bukanlah neutrino elektron, muon- dan tau-rasa.
Sebaliknya, terdapat tiga neutrinos "benar", masing-masing dengan massa yang berbeza, tetapi tidak diketahui. Campuran yang berbeza dari neutrino yang benar dan neutral ini menghasilkan setiap rasa neutrino yang kita dapati di makmal kita (elektron, muon, tau). Jadi, jisim yang diukur oleh lab adalah beberapa campuran massa neutrino sejati. Sementara itu, jisim setiap neutrino sejati di dalam campuran menguasai seberapa kerapnya morphs ke dalam setiap rasa yang berbeza.
Pekerjaan untuk ahli fizik sekarang adalah untuk menguraikan semua hubungan: Apakah massa orang neutrino sejati, dan bagaimana mereka bercampur bersama untuk membuat tiga perisa?
Oleh itu, ahli fizik sedang memburu untuk menemui massa neutrinos "benar" dengan melihat kapan dan berapa kali mereka menukar rasa. Sekali lagi, jargon fizik sangat tidak membantu apabila menjelaskan ini, kerana nama-nama tiga neutrino ini hanya m1, m2 dan m3.
Pelbagai percubaan yang teliti telah mengajarkan saintis beberapa perkara mengenai massa neutrino sejati, sekurang-kurangnya secara tidak langsung. Sebagai contoh, kita tahu tentang beberapa hubungan antara segi persegi massa. Tetapi kita tidak tahu dengan tepat berapa banyak neutrinos sejati yang berat, dan kita tidak tahu mana yang lebih berat.
Ia mungkin m3 adalah yang paling berat, jauh melebihi m2 dan m1. Ini dipanggil "pesanan biasa" kerana nampaknya cukup normal - dan itu adalah fizik yang memerintahkan pada dasarnya menduga beberapa dekad lalu. Tetapi berdasarkan pengetahuan semasa kita, ia juga boleh menjadi m2 adalah neutrino paling berat, dengan m1 tidak jauh di belakang dan m3 puny berbanding. Senario ini dipanggil "pesanan terbalik," kerana itu bermakna kita meneka perintah yang salah pada mulanya.
Sudah tentu, ada kem teori teorinya untuk setiap senario ini menjadi kenyataan. Teori-teori yang cuba menyatukan semua (atau sekurang-kurangnya paling) daya alam semula jadi di bawah satu bumbung biasanya memanggil pesanan massa neutrino biasa. Di sisi lain, pesanan massa terbalik diperlukan untuk neutrino menjadi kembar antipartikel sendiri. Dan jika itu benar, ia dapat membantu menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak perkara daripada antimatter di alam semesta.
Senaman DeepCore
Mana ia: normal atau terbalik? Itulah salah satu persoalan terbesar yang timbul sejak dua dekad penyelidikan neutrino yang lalu, dan ia adalah persoalan yang menjadi persoalan bahawa Observatori Neutrino IceCube yang besar telah dirancang untuk dijawab. Terletak di Kutub Selatan, pemerhatian terdiri daripada berpuluh-puluh rentetan pengesan yang tenggelam ke dalam Lembaran Es Antartika, dengan pusat "DeepCore" lapan rentetan pengesan yang lebih cekap mampu melihat interaksi tenaga rendah.
Neutrinos nyaris tidak bercakap dengan perkara biasa, jadi mereka mampu menembusi tubuh Bumi secara langsung. Dan apabila mereka berbuat demikian, mereka akan berubah menjadi pelbagai rasa. Setiap kali pada masa yang jarang berlaku, mereka akan menyerang satu molekul di Lembaran Es Antartik berhampiran pengesan IceCube, yang mencetuskan sebatang air zarah yang memancarkan cahaya biru yang menghairankan yang dikenali sebagai radiasi Cherenkov. Ini cahaya yang mengejar rentetan IceCube.
Dalam makalah baru-baru ini yang diterbitkan pada jurnal pra-cetak arXiv, saintis IceCube menggunakan data DeepCore selama tiga tahun untuk mengukur berapa banyak jenis neutrino yang dilalui melalui Bumi. Kemajuan perlahan, sudah tentu, kerana neutrino sangat sukar untuk ditangkap. Tetapi dalam karya ini. saintis melaporkan sedikit pilihan dalam data untuk pesanan biasa (yang bermakna kita meneka betul dekad lalu). Walau bagaimanapun, mereka tidak menemui apa-apa yang terlalu konklusif.
Adakah ini semua yang kita dapat? Sudah tentu tidak. IceCube sedang bersedia untuk menaik taraf utama tidak lama lagi, dan eksperimen baru seperti Advanced IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) dan Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) sedang menyiapkan untuk menangani soalan pusat ini juga. Siapa tahu bahawa persoalan semacam itu tentang pesanan orang neutrino akan mendedahkan begitu banyak cara alam semesta berfungsi? Ia terlalu buruk juga bukan soalan mudah.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah "Tanya Spaceman" dan "Radio Angkasa, "dan pengarang"Tempat Anda di Semesta."
