Neutriinofüüsika kompab standardmudeli piirialasid

GeneFesti konverentsil MiniBooNE neutriinodetektori töörühma esitletud tulemused tunduvad kinnitavat esmakordselt ligikaudu 13 aastat tagasi avastatud anomaaliat, mille selgitus väljub traditsioonilise füüsika põhimudeli piiridest.

Olulise osa universumis leiduvast ainest moodustavad neutriinod – peaaegu ilma massita ja laenguta osakesed. Kuna need ei allu elektromagnetilisele vastastikmõjule, astuvad nad tavaliste aine ehitusblokkide nagu aatomite ja elektronidega väga harva vastastikmõjusse. Üksik neutriino võiks läbida lausa mitme tuhande valgusaasta paksusi tinaseinu, ilma, et see kuidagi neutriino liikumisuunda muudaks.

MiniBooNE\’i neutriinodetektor kogub andmeid kuni 2012. aasta lõpuni.

Tehnika arenguga sammu pidades on neutriinosid uurivatel füüsikutel võimalik viimaks uute ülitundlikke neutriinodetektoritega nende olemusse selgust tuua. Kuna usaldusväärseid ning kontrollitavaid katseid sai hakata läbi viima alles mõnekümne aasta eest, areneb ala äärmiselt kiiresti. Näiteks kinnitati alles selle aasta alguses viimaks eksperimentaalselt, et neutriinodel on massid. Vaid paari aasta eest kirjutatud kooliõpikud väidavad aga alles vastupidist.

Neutriinode massi olemasolu kinnitamine oli äärmisel tähtis, kuna massitud neutriinod ei saaks ostsilleeruda. Viimane on järjekordselt üks neutriinode ainulaadseid omadusi, mille olemasolule andsid vihjeid 1970. aastatel tehtud vaatlused. Toona avastati, et Päikeses tekkivatest neutriinodest jõuab Maale neid tunduvalt vähem, kui teoreetiline raamistik seda ette nägi. Ainsaks seletuseks sai olla, et neutriinosid on kolme eri tüüpi, mille energia on erinev, kuid mis saavad üksteiseks muutuda ehk ostsilleeruda. Osa tekkivatest neutriinodest muutusid teekonna jooksul teise „lõhnalisteks“ järgides seejuures energia jäävuse seadust

Kogu universumis leiduva aine ning energia omavahelisi vastastikmõjusid kirjeldava standardmudeli üheks alustalaks on just kolme erineva lõhnaga neutriinod. Peaaegu 13 aastat tagasi märgati aga teise kunagise Los Alamose neutriinodetektori LSND tulemustes anomaaliat, mis seadis standardmudeli kahtluse alla.

Lihtsaimaks LSND tõlgenduseks oli, et eksisteerib veel üks „steriilne neutriino,“ mis teiste neutriinodega küll seguneb, kuid mis ise elektronõrgas vastastikmõjus ei osale. Tänaseks on see tõlgendus küll teiste neutriinoeksperimentide poolt ümber lükatud, kuid esialgsete MiniBooNE andmete kohaselt on LSND seletamatu nähtus siiski siin, et jääda.

„MiniBooNE’i 2007. a. avaldatud tulemused välistasid 98% tõenäosusega LSND ennustuse müüon-neutriinode ostsilleerumisest elektronneutriinodeks. Seda põnevam on MiniBooNE’i uus, antimüüon-neutriinodega saadud tulemus, mis kinnitas LSND andmeid,“ ütleb Kristjan Kannike, LHC-s uut füüsikat otsiva töörühma liige. Nimelt kuna osakesed ja antiosakesed annavad erinevaid tulemusi, võib see tõepoolest tähendada, et on olemas neljanda lõhnaga üks või mitu steriilset neutriinot, mis astuvad neutriinode ja antineutriinodega vastastikmõjusse veidi erinevalt.

Veelgi põnevam selgitus oleks, et neutriinod on rikkunud veidi CPT sümmeetriat, mis rajaneb omakorda Lorentzi sümmeetriale ehk Einsteini erirelatiivsusteooriale. CPT sümmeetria kohaselt pole laengute märgi, ajasuuna ning paarsuse muutmisel füüsikaseadustele mingit mõju. „Erirelatiivsusteooria võimalik rikkumine peab olema väga väike, muidu oleks see juba avastatud ning igapäevases osakestefüüsikas kehtib erirelatiivsusteooria väga suure täpsusega,“ lisab Kannike. CPT rikkumisele võib viidata ka hiljutine MINOS eksperimendi esialgne tulemus, nagu oleksid neutriinodel ja antineutriinodel erinevad massid.

Samas pakuks ka steriilse neutriino või muu elektriliselt neutraalse aineosakese olemasolu osakestefüüsikutele pinget. Mõlemad võiksid olla „kindlasti ühed esimesed kandidaadid tumedale ainele, kuna tegemist peaks olema nõrgalt interakteeruva osakesega,“ ütleb kõrgete energiate osakestefüüsikaga tegelev Mario Kadastik. Ainuke viis, kuidas steriilsed neutriinod lisaks gravitatsioonile teiste neutriinodega vastastikmõjusse saaksid astuda, olekski läbi ostsillatsiooni.

Siiski hoiatavad osakestefüüsikud, et esialgsete tulemuste suhtes tuleks ettevaatlikuks jääda. „2-3 standardhälbe tasemel sensatsioonilisi katsetulemusi, mis hiljem kinnitust ei leidnud, on olnud päris palju, näiteks tetrakvargid mõne aasta eest. Sama võib juhtuda ka LSND, MiniBooNE ja MINOS-e esialgsete tulemustega,“ arvab Kannike.

„Kuna eksperimendid neutriinode alal on keerulised ja signaal paistab vaevu katseveast välja, siis saadakse mõnikord valetulemusi. Võimekas teoreetik teatavasti põhjendab iga fakti elegantselt ära ja parameetrite võimalik vahemik on juba enne eksperimenti tihedalt teooriatega kaetud,“ mõtiskleb aastaid neutriino füüsikaga tegelenud Helle Kaasik.

Loe lisaks:
Sümpoosiumil esitletud tulemused .Pdf vormingus
Artikkel ERR-i Teadusrubriigis