נייטרינו הוא אולי התמוה ביותר מבין החלקיקים הידועים. הם פשוט מפגרים את כל הכללים הידועים של איך חלקיקים צריכים להתנהג. הם מזלזל בגלאים המהודרים שלנו. כמו חתולים קוסמיים, הם מתלכדים ברחבי היקום ללא דאגה או טיפול, מתקיימים מדי פעם אינטראקציה עם שארנו, אך באמת רק כשהם באים להם, מה שבאמת לא כל כך לעתים קרובות.
הכי מתסכל מכולם, הם לובשים מסכות ולעולם לא נראים באותה צורה פעמיים.
אבל ייתכן שניסוי חדש לקח אותנו רק צעד קרוב יותר לקרוע את המסכות האלה. חשיפת זהות הנייטרינו האמיתית עשויה לעזור לענות על שאלות ארוכת שנים, כמו האם נייטרינים הם שותפים אנטי-חומר משלהם, והיא אף יכולה לעזור לאחד את כוחות הטבע לתאוריה מגובשת אחת.
בעיה מאסיבית
נייטרינו הם מוזרים. ישנם שלושה סוגים: הנייטרינו האלקטרוני, הנייטרינו המואון ונייטרינו הטאו. (יש גם את הגרסאות נגד החלקיקים של השלושה האלה, אבל זה לא חלק גדול מהסיפור הזה.) הם נקראים כך מכיוון שלושת הסוגים האלה מגיעים למסיבה עם שלושה סוגים שונים של חלקיקים. נייטרינו אלקטרונים מצטרפים לאינטראקציות הכרוכות באלקטרונים. נייטרינו של מיון מתיישרים עם מיונים. לא יינתנו נקודות עבור ניחוש עם מה אינטראקציה עם הטאו נייטרינו.
עד כה, זה לא מוזר בכלל. הנה מגיע החלק המוזר.
לחלקיקים שהם לא נייטרינים - כמו אלקטרונים, מואונים וחלקיקי טאו - מה שאתה רואה זה מה שאתה מקבל. החלקיקים הללו כולם זהים למעט ההמונים שלהם. אם אתה מזהה חלקיק בעל מסה של אלקטרון, הוא יתנהג בדיוק כמו שאלקטרון צריך להתנהג, וכך גם המואון והטאו. מה שכן, ברגע שתבחין באלקטרון, זה תמיד יהיה אלקטרון. לא יותר, לא פחות. אותו דבר עבור המואון והטאו.
אך הדבר לא תקף לבני דודיהם, הניטרונים האלקטרונים, המואונים והטאו.
מה שאנו מכנים, נניח, "הטא נייטרינו" אינו תמיד נייטרינו הטאו. זה יכול לשנות את זהותו. זה יכול להיות, זרימת אמצע, לאלקטרון או נויטרנו-מיון.
התופעה המוזרה הזו שבעצם לאף אחד לא ציפתה נקראת תנודה נייטרינו. זה אומר, בין היתר, שתוכלו ליצור נייטרינו אלקטרונים ולשלוח אותו לחבר הכי טוב שלכם במתנה. אבל עד שהם יבינו את זה, הם עלולים להתאכזב למצוא במקום זאת נייטרינו טאו.
צמרמורת
מסיבות טכניות, תנודת הנייטרינו עובדת רק אם ישנם שלושה נייטרינים עם שלושה המונים שונים. אך הנייטרינים המתנדנדים אינם הנייטרינים בטעם האלקטרון, המואון והטאו.
במקום זאת, ישנם שלושה נייטרינים "אמיתיים", שלכל אחד מהם המונים שונים אך לא ידועים. תערובת מובחנת של נייטרינו אמיתיים ועקרוניים אלה יוצרת כל אחד מטעמי הנייטרינו שאנו מזהים במעבדות שלנו (אלקטרונים, מיונים, טאו). אז המסה שנמדדה במעבדה היא תערובת כלשהי של המוני הנייטרינו האמיתיים האלה. בינתיים, המסה של כל נייטרינו אמיתי בתערובת קובעת את התדירות שמשתלב בכל אחד מהטעמים השונים.
התפקיד של הפיזיקאים כעת הוא להתנתק מכל מערכות היחסים: מהן המוני אותם נייטרינים אמיתיים, ואיך הם מתערבבים זה בזה כדי ליצור את שלושת הטעמים?
אז, פיזיקאים נמצאים במצוד כדי לחשוף את המוני הנייטרינים ה"אמיתיים "על ידי התבוננות מתי ובאיזו תדירות הם מחליפים טעמים. שוב, הז'רגון של הפיזיקה אינו מועיל מאוד בעת ההסבר לכך, שכן שמותיהם של שלושת הנייטרינים הללו הם פשוט m1, m2 ו- m3.
מגוון ניסויים קפדניים לימדו מדענים כמה דברים על המוני הנייטרינים האמיתיים, לפחות בעקיפין. לדוגמא, אנו יודעים על כמה מערכות יחסים בין ריבוע ההמונים. אך איננו יודעים בדיוק כמה משקלם של כל אחד מהנוייטרינו האמיתי, ואנחנו לא יודעים אילו הם כבדים יותר.
יכול להיות ש- m3 הוא ה- M2 וה- M1 הכבד ביותר, העולה על המשקל. זה נקרא "סידור רגיל" מכיוון שזה נראה די נורמלי - וזה הפיסיקאים המזמינים שנחשבו למעשה לפני עשרות שנים. אך בהתבסס על מצב הידע הנוכחי שלנו, יכול להיות גם ש- m2 הוא הנייטרינו הכבד ביותר, עם m1 לא הרחק מאחור ו- m3 עונש בהשוואה. תרחיש זה נקרא "סדר הפוך", מכיוון שזה אומר שנחששנו את הסדר הלא נכון בתחילה.
כמובן שיש מחנות של תיאורטיקנים שמאמצים שכל אחד מהתרחישים הללו יהיה נכון. תיאוריות המנסות לאחד את כל (או לפחות רוב) כוחות הטבע תחת קורת גג אחת קוראים בדרך כלל לסדר המוני ניטרינו רגיל. מצד שני, סידור המוני הפוך נחוץ בכדי שהנייטרינו יהיה תאום אנטי-חלקיקי משלו. ואם זה היה נכון, זה יכול לעזור להסביר מדוע יש יותר חומר מאשר אנטי-חומר ביקום.
אימון DeepCore
מה זה: רגיל או הפוך? זו אחת השאלות הגדולות שצצו מהעשורים האחרונים של מחקר נייטרינו, וזו בדיוק סוג השאלה שמצפה הכוכבים IceCube Neutrino המסיבי נועד לענות עליה. המצפה ממוקם בקוטב הדרומי, והמצפה מורכב מעשרות מיתרי גלאים ששקעו בגליון הקרח האנטארקטי, עם "DeepCore" מרכזי המונה שמונה מיתרי גלאים יעילים יותר המסוגלים לראות אינטראקציות נמוכות יותר באנרגיה.
הניוטרינו בקושי מדבר על חומר רגיל, כך שהם מסוגלים לחלוטין לזרוק ישר דרך גוף כדור הארץ עצמו. וכשיעשו זאת, הם ישתלבו בטעמים השונים. מדי פעם הם יפגעו במולקולה בגיליון הקרח האנטארקטי בסמוך לגלאי IceCube, ויעורו מקלחת מדורגת של חלקיקים הפולטים אור כחול מפתיע בשם קרינת צ'רנקוב. זה האור הזה שמיתרי IceCube מזהים.
במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת הקדום arXiv, השתמשו מדעני IceCube בשלוש שנות נתוני DeepCore כדי למדוד כמה מכל סוג של נייטרינו עברו בכדור הארץ. ההתקדמות היא כמובן איטית מכיוון שנייטרינו כל כך קשה לתפוס. אבל בעבודה זו. המדענים מדווחים על העדפה קלה בנתונים להזמנה רגילה (מה שאומר שהנחשנו לפני עשרות שנים). עם זאת, הם עדיין לא מצאו דבר חותך מדי.
האם זה כל מה שנקבל? בוודאי שלא. IceCube מתכונן לשדרוג גדול בקרוב, וניסויים חדשים כמו שדרוג ה- Precision IceCube Next Generation (PINGU) וניסוי Neutrino Deep Underground (DUNE) מתכוננים להתמודד גם עם השאלה המרכזית הזו. מי ידע ששאלה כה פשוטה לגבי סדר המוני נייטרינו תגלה כל כך הרבה מהדרך בה היקום עובד? חבל שזו גם שאלה לא קלה.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של "תשאל איש חלל" ו- "רדיו שטח, "ומחבר הספר"מקומך ביקום."
