Po 10 miesiącach od uruchomienia, w japońskim eksperymencie T2K wykryto pierwsze neutrino. Może być to pierwszy krok do rozwikłania w dalszej perspektywie zagadki, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.

Neutrina (czyli “małe neutrony”) to cząstki elementarne zapostulowane przez Wolfganga Pauliego, by reakcja jądrowa rozpadu beta “zgadzała się” z pewnymi zasadami zachowania oczekiwanymi w fizyce teoretycznej. Wbrew pierwotnym obawom, udało się je wykryć również w doświadczeniu, co nie było wcale proste: nie oddziaływują one ani elektromagnetycznie (bo nie mają ładunku), ani silnie (czyli w sposób typowy dla kwarków w nukleonach). Podlegają one tzw. oddziaływaniu słabemu, które zgodnie z nazwą jest tak słabe, że strumień neutrin może przejść przez Ziemię i stracić tylko znikomy ułamek swego natężenia.

Model Standardowy cząstek elementarnych przewiduje istnienie trzech rodzajów, zwanych zapachami, neutrin: elektronowego, mionowego i taonowego, stowarzyszonych odpowiednio z innymi cząstkami elementarnymi: elektronem, mionem i taonem. Przewiduje również, że nie mają one masy – a więc nie oddziaływują grawitacyjnie i poruszają się z prędkością światła. Okazało się jednak, że nie odpowiada to rzeczywistości: by wyjaśnić nietypowy skład strumienia neutrin pochodzących ze Słońca, zapostulowano (a potem potwierdzono doświadczalnie) zjawisko oscylacji – czyli samorzutnej zmiany zapachu – neutrin, co wykracza poza Model Standardowy i daje się na gruncie mechaniki kwantowej wytłumaczyć istnieniem znikomych, ale niezerowych mas tych cząstek.

Najważniejszym obecnie detektorem neutrin na świecie jest Super-Kamiokande, czyli druga (pierwsza nazywała się po prostu Kamiokande) generacja prowadzonego w kopalni Kamioka w Japonii eksperymentu mającego pierwotnie potwierdzić hipotezę rozpadu protonu (NDE – nucleon decay experiment). Pośród projektów prowadzonych tam przez Japończyków (i nie tylko – współpracuje z nimi ponad pół tysiąca naukowców ze Stanów Zjednoczonych, Korei Południowej i Europy, w tym Polski) jest obecnie T2K, czyli Tokai To Kamioka – badanie odczytów detektora związanych ze skierowaniem w jego kierunku strumienia neutrin wytwarzanego w akceleratorze cząstek J-PARC w Tokai. Odległość między Tokai a Super-Kamiokande to niecałe 300 km, co przypadkowo odpowiadać ma maksymalnym oscylacjom emitowanych neutrin.

Po 10 miesiącach działania eksperymentu wykryte zostało pierwsze neutrino pochodzące z Tokai. To pierwszy krok do – być może – wielkich odkryć w fizyce cząstek, począwszy od określenia pewnych parametrów procesu oscylacji, aż po odpowiedzi na fundamentalne pytania o naturę wszechświata. Neutrina (i ich antycząstki – antyneutrina) są bowiem najgorzej znanymi puzzlami Modelu Standardowego, zaś badanie ich może być kluczowe do zrozumienia pewnych zagadek natury materii. Chodzi przede wszystkim o wyjaśnienie, dlaczego jest więcej materii niż antymaterii (a więc dlaczego w ogóle istnieje budulec, z którego składają się gwiazdy, planety i ludzie), skoro symetria teorii sugerowałaby raczej, że powinno być ich po równo (a więc w skutek anihilacji – prawie w ogóle).

Autor

Paweł Laskoś-Grabowski