OPERA eksperimendi teadlased Itaalia Rahvusliku Tuumafüüsika Instituudi (INFN) Gran Sasso laboratooriumis teatasid esmaspäeval, et nad leidsid 730 km kaugusel asuvast Cerni kiirendist tulnud müü-neutriinode kiiresesmakordselt tau-neutriino
Neutriinode mõistatus algas Nobeli preemia väärilise eksperimendiga, mille viis läbi USA teadlane Ray Davis 1960. aastatel. Davis märkas, et Maad tabab märksa vähem Päikeselt pärinevaid neutriinosid, kui toonased mudelid ennustasid. Oli kaks võimalust – kas mudelid olid väärad või juhtus neutriinodega vahepeal midagi seninägematut.
Võimaliku lahenduse pakkusid 1969. aastal välja Bruno Pontecorvo ja Vladimir Gribov, kes arvasid, et erinevat tüüpi neutriinod võivad ostsillatsioonide käigus üksteiseks muutuda. See neutriinode ostsillatsiooniks nimetatav nähtus oleks suutnud elektron-neutriinode defitsiiti seletada. Sellest ajast peale on viidud läbi mitmeid eksperimente, mille käigus on vaadeldud müüon-neutriinode kadumist, mis kinnitavad ostsillatsiooni hüpoteesi. Seni polnud aga algselt ainult müüon-neutriinodest koosnevas kiires tau-neutriinot nähtud. Ainus võimalus, kuidas haruldaseim neutriino oleks saanud tekkida, on variant, et müüon-tüüp muutus tau-tüübiks.
OPERA kollektiivi tulemustele eelnes seitse aastat ettevalmistustöid ning üle kolme aasta Cerni kiirendi tekitatud neutriinode kiiri. Selle aja jooksul on Gran Sasso suunas saadetud miljardeid ja miljardeid müüon-neutriinosid, 730 kilomeetri pikkuse tee läbimine võtab osakestel aega 2,4 millisekundit. Hoolimata neutriinode näilisest suurest hulgast on neutriinode ostsillatsioonid haruldased.
Sündmuste vaatlemise muudab raskemaks asjaolu, et neutriinod reageerivad tavalise ainega väga nõrgalt, kuna neutriinod osalevad ainult nõrgas -ja gravitatsioonilises vastastikmõjus. “Neutriinod ei jäta endast jälgi, ent osakesed, mis neutriinode ja tavalise aine vaheliste interaktsioonide tõttu tekivad, teevad seda. Kui tau-neutriino ja detektor teineteist vastastikku mõjutavad, siis registreerivad fotoplaadid lühikese, umbes 1-2 mm pikkkuse tau-leptoni jälje. Viimane on aga ühemõtteline jälg tau-neutriino interaktsioonist,” selgitas Antonio Eradatio, OPERA eksperimendi eestkõneleja, neutriinode avastamisprotsessi Fyysika.ee-le.
Gran Sasso laboratooriumi sein on kaetud detektor "tellistega", mille vahel asuvad plastikust stsintillaatorplaadid. Foto·: Gran Sasso laboratoorium
Tau-tüüpi vastastikmõjude tekitamiseks hädavajalik neutriinode kiir kutsutakse Cernis esile prootonite kimbu abil, mida vastu sihtmärki kiirendatakse. Kui prootonid sihtmärki tabavad, tekivad osakesed nimega piionid ja kaaonid, mis kiiresti lagunevad. Lagunemisprotsess annab aga võimaluse neutriinode tekkeks. Vastupidiselt laetud osakestele ei ole neutriinod elektromagnetväljade, mida füüsikud teiste osakeste suunamiseks kasutavad, suhtes tundlikud. Seega niipea kui neutriinod tekivad, saavad nad kõrvale kallutamatult tahket ainet läbida. Nimetatud põhjusel oli eksperimendi projekteerimisest saadik äärmiselt tähtis, et põrgutatav osakeste kiir oleks suunatud just Gran Sasso laboratooriumite suunas.
“Selle (eksperimendi, toim.) edu oli võimalik ainult tänu rahvusvahelise füüsikute kogukonna püsivusele ja leidlikkusele, kes osakeste kiirte spetsiaalselt selle eksperimendi jaoks kavandasid. Gran Sasso originaalset disaini on edu krooninud,” ütles INFN president Roberto Petronzio.
Eksperimendi meeskonnale jagas tunnust ka Cerni peadirektor Rolf Heuer·: “See on neutriinofüüsika jaoks tähtis samm. Ma saadan oma õnnitlused OPERA eksperimendile ja Gran Sasso laboratooriumitele, kui ka kiirendi meeskondadele Cernis. Me kõik ootame nende tulemuste põhjal uuelt füüsikalt kalevi kergitamist.”
Põhjapanevate järelduste tegemiseks vajab OPERA meeskond veel andmeid ning tau-neutriinode vaatlusi. “Kõigepealt peame veel tau-sündmusi registreerima, enne, kui saame me väita, et tegu on neutriino ostsillatsioonidega. Siiski oli esimene kandidaat väga kena ning on 98·% kindel, et tegu oli tõepoolest tau-neutriino sündmusega,” ütles Eradano.
Piltlik ettekujutus standardmudelist. Joonis: Helle Kask, täiendused Kalev Tarkpea
Neutriino ostsillatsioonide otsene vaatlus on kindel märk sellest, et neutriinode olemuse mõistmiseks on vaja uut füüsikat. Elementaarosakeste käitumist seletava standardmudeli kohaselt puudub neutriinodel mass. Et neutriinod saaksid ostsilleeruda, peab vähemalt üht liiki neutriinodel olema nullist erinev seisumass, seega ei saa
standardmudel täielik olla. Hoolimata edust, mis standardmudelit on nähtava universumi moodustavate osakeste vaheliste vastastikmõjude kirjeldamiseks saatnud, ei suuda see siiski paljutki seletada. Ühe võimalusena nähakse, et eksisteerivad teist tüüpi neutriinod, mida seni vaadeldud ei ole, mis võiksid heita valgust tumeainele. Viimast usutakse andvat universumile umbes neljandiku selle massist.
OPERA eksperimendi juures töötavad teadlased jätkavad aga järjekindlat uute neutriino ostsillatsioonide otsimist. “Me ei jäta jonni enne, kui me oleme 99,99999…·% kindlad, et tegu on tõepoolest tau-neutriinoga·!” naeris Eradatio.
Allikmaterjal·:
Cern·: “Particle Chameleon Caught in the act of Changing”
Lisaks·:
OPERA eksperimendi koduleht