ניטרינו הוא חלקיק יסודי הדומה מאוד לאלקטרון, אך אין לו מטען חשמלי. יש לו מסה קטנה מאוד, שעשויה אפילו להיות אפס. מהירות הניטרינו תלויה גם במסה. ההבדל בזמן ההגעה של החלקיק והאור הוא 0.0006% (± 0.0012%). בשנת 2011, במהלך ניסוי OPERA, נמצא שמהירות הנייטרינים עולה על מהירות האור, אך ניסיון עצמאי לא אישר זאת.
החלקיק החמקמק
זהו אחד החלקיקים הנפוצים ביותר ביקום. מכיוון שהוא מקיים אינטראקציה מעטה מאוד עם החומר, קשה להפליא לזהות אותו. אלקטרונים וניטרינו אינם משתתפים באינטראקציות גרעיניות חזקות, אלא משתתפים באותה מידה בחלשות. חלקיקים בעלי תכונות אלו נקראים לפטונים. בנוסף לאלקטרון (והאנטי-חלקיק שלו, הפוזיטרון), הלפטונים הטעונים כוללים את המואון (200 מסות אלקטרונים), הטאו (3500 מסות אלקטרונים) והאנטי-חלקיקים שלהם. הם נקראים כך: אלקטרונים, מיאון וטאו ניטרינו. לכל אחד מהם יש רכיב אנטי-חומר הנקרא אנטי-נייטרינו.
למואון וטאו, כמו אלקטרון, יש חלקיקים המלווים אותם. אלה הם נויטרינו מיאון וטאו. שלושת סוגי החלקיקים שונים זה מזה.לדוגמה, כאשר ניטרינו מיאון מקיימים אינטראקציה עם מטרה, הם תמיד מייצרים מיואונים, אף פעם לא טאו או אלקטרונים. באינטראקציה של חלקיקים, למרות שניתן ליצור ולהשמיד אלקטרונים ואלקטרון-נייטרינו, הסכום שלהם נשאר ללא שינוי. עובדה זו מובילה לחלוקת הלפטונים לשלושה סוגים שלכל אחד מהם יש לפטון טעון וניטרינו נלווה.
דרושים גלאים גדולים מאוד ורגישים במיוחד כדי לזהות חלקיק זה. בדרך כלל, ניטרינו בעלי אנרגיה נמוכה ינועו שנות אור רבות לפני אינטראקציה עם החומר. כתוצאה מכך, כל הניסויים הקרקעיים איתם מסתמכים על מדידת החלק הקטן שלהם באינטראקציה עם מקליטים בגודל סביר. לדוגמה, במצפה הכוכבים סודברי, המכיל 1000 טונות של מים כבדים, עוברים דרך הגלאי כ-1012 נייטרינו סולאריים בשנייה. ונמצאים רק 30 ביום.
היסטוריית גילוי
Wolfgang Pauli הניח לראשונה את קיומו של חלקיק בשנת 1930. בעיה התעוררה באותה תקופה מכיוון שנראה היה שאנרגיה ותנע זוויתי לא נשמרו בהתפרקות בטא. אבל פאולי ציין שאם נפלט חלקיק נייטרינו ניטרלי שאינו מקיים אינטראקציה, אזי יתקיים חוק שימור האנרגיה. הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי פיתח את התיאוריה של ריקבון בטא ב-1934 ונתן לחלקיק את שמו.
למרות כל התחזיות, במשך 20 שנה לא ניתן היה לזהות נייטרינו בניסוי בגלל האינטראקציה החלשה שלהם עם החומר. מאחר והחלקיקים אינם חשמלייםטעונים, הם אינם מושפעים מכוחות אלקטרומגנטיים, ולכן, הם אינם גורמים ליינון של החומר. בנוסף, הם מגיבים עם החומר רק באמצעות אינטראקציות חלשות בעלות חוזק זניח. לכן, הם החלקיקים התת-אטומיים החודרים ביותר, המסוגלים לעבור דרך מספר עצום של אטומים מבלי לגרום לתגובה כלשהי. רק 1 מתוך 10 מיליארד חלקיקים אלה, העוברים דרך החומר במרחק שווה לקוטר כדור הארץ, מגיבים עם פרוטון או נויטרון.
לבסוף, בשנת 1956, קבוצה של פיזיקאים אמריקאים בראשות פרדריק ריינס הכריזה על גילוי האלקטרון-אנטינוטרינו. בניסויים שלה, אנטי-נייטרינים שנפלטו מכור גרעיני קיימו אינטראקציה עם פרוטונים ליצירת נויטרונים ופוזיטרונים. חתימות האנרגיה הייחודיות (והנדירות) של תוצרי הלוואי האחרונים הללו מספקות עדות לקיומו של החלקיק.
גילוי של לפטון מיאון טעונים הפך לנקודת ההתחלה לזיהוי הבא של הסוג השני של הנייטרינו - מיאון. זיהוים בוצע בשנת 1962 על סמך תוצאות ניסוי במאיץ חלקיקים. ניטרינו מיאוניים בעלי אנרגיה גבוהה נוצרו על ידי ריקבון של פי-מזונים ונשלחו לגלאי בצורה כזו שניתן יהיה לחקור את התגובות שלהם עם החומר. למרות שהם לא מגיבים, כמו סוגים אחרים של חלקיקים אלה, נמצא שבמקרים הנדירים שבהם הם מגיבים עם פרוטונים או נויטרונים, מואון-נייטרונים יוצרים מיואונים, אך לעולם לא אלקטרונים. בשנת 1998, הפיזיקאים האמריקאים ליאון לדרמן, מלווין שוורץ וג'ק שטיינברגרקיבל את פרס נובל לפיזיקה על זיהוי המואון-נויטרינו.
באמצע שנות ה-70, פיזיקת הניטרינו התחדשה בסוג אחר של לפטונים טעונים - טאו. התברר שהטאו ניטרינו והטאו אנטינוטרינו קשורים ללפטון הטעון השלישי הזה. בשנת 2000, פיזיקאים במעבדת המאיץ הלאומית. אנריקו פרמי דיווח על העדות הניסיונית הראשונה לקיומו של סוג זה של חלקיקים.
מסה
לכל סוגי הנייטרינים יש מסה שהיא הרבה פחות מזו של עמיתיהם הטעונים. לדוגמה, ניסויים מראים שמסת האלקטרון-נוטרינו חייבת להיות פחות מ-0.002% ממסת האלקטרונים ושסכום המסות של שלושת המינים חייב להיות פחות מ-0.48 eV. במשך שנים רבות נראה היה שמסה של חלקיק היא אפס, אם כי לא הייתה ראיה תיאורטית משכנעת מדוע זה צריך להיות כך. ואז, בשנת 2002, סיפק מצפה הכוכבים של סאדברי את הראיה הישירה הראשונה לכך שנייטרינו אלקטרונים הנפלטים על ידי תגובות גרעיניות בליבת השמש משנים את סוגם בזמן שהם נעים דרכה. "תנודות" כאלה של ניטרינו אפשריות אם לסוג אחד או יותר של חלקיקים יש מסה קטנה כלשהי. גם המחקרים שלהם על האינטראקציה של קרניים קוסמיות באטמוספירה של כדור הארץ מצביעים על נוכחות של מסה, אך נדרשים ניסויים נוספים כדי לקבוע אותה בצורה מדויקת יותר.
מקורות
מקורות טבעיים של ניטרינו הם ריקבון רדיואקטיבי של יסודות בבטן כדור הארץ, שבהםנפלט זרם גדול של אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה-אנטינוטרינו. סופרנובות הן גם תופעת ניטרינו בעיקרה, שכן רק חלקיקים אלו יכולים לחדור לחומר הצפוף-על המיוצר בכוכב מתמוטט; רק חלק קטן מהאנרגיה הופך לאור. חישובים מראים שכ-2% מאנרגיית השמש היא האנרגיה של ניטרינו הנוצרים בתגובות היתוך תרמו-גרעיני. סביר להניח שרוב החומר האפל ביקום מורכב מניטרינו שנוצרו במהלך המפץ הגדול.
בעיות פיזיקה
התחומים הקשורים לנייטרינו ולאסטרופיזיקה מגוונים ומתפתחים במהירות. השאלות הנוכחיות המושכות מספר רב של מאמצים ניסיוניים ותיאורטיים הן כדלקמן:
- מהן המוני הנייטרינים השונים?
- איך הם משפיעים על הקוסמולוגיה של המפץ הגדול?
- האם הם מתנודדים?
- האם ניטרינו מסוג אחד יכולים להפוך לסוג אחר כשהם נעים בחומר ובמרחב?
- האם ניטרינו שונים מהותית מהאנטי-חלקיקים שלהם?
- איך כוכבים קורסים ויוצרים סופרנובות?
- מה תפקידם של נויטרינו בקוסמולוגיה?
אחת הבעיות ארוכות השנים שמעניין במיוחד היא מה שנקרא בעיית הנייטרינו הסולארי. שם זה מתייחס לעובדה שבמהלך מספר ניסויים קרקעיים שנערכו במהלך 30 השנים האחרונות, נצפו בעקביות פחות חלקיקים מהנדרש להפקת אנרגיה הנפלטת מהשמש. אחד הפתרונות האפשריים שלו הוא תנודה, כלומר, הטרנספורמציה של אלקטרוניניטרינו לתוך מיואונים או טאו בזמן נסיעה לכדור הארץ. מכיוון שקשה הרבה יותר למדוד מיאון או ניטרינו טאו באנרגיה נמוכה, סוג זה של טרנספורמציה יכול להסביר מדוע איננו צופים במספר הנכון של חלקיקים על פני כדור הארץ.
פרס נובל רביעי
פרס נובל לפיזיקה לשנת 2015 הוענק לטקאקי קג'יטה וארתור מקדונלד על גילוי מסת הניטרינו. זה היה הפרס הרביעי מסוג זה הקשור למדידות ניסיוניות של חלקיקים אלה. חלקם עשויים לתהות מדוע צריך להיות אכפת לנו כל כך ממשהו שבקושי מקיים אינטראקציה עם חומר רגיל.
עצם העובדה שאנחנו יכולים לזהות את החלקיקים הארעיים האלה היא עדות לכושר ההמצאה האנושי. מכיוון שכללי מכניקת הקוונטים הם הסתברותיים, אנו יודעים שלמרות שכמעט כל הנייטרינו עוברים בכדור הארץ, חלק מהם יתקשרו איתו. גלאי גדול מספיק כדי לזהות זאת.
המכשיר הראשון שכזה נבנה בשנות השישים עמוק במכרה בדרום דקוטה. המכרה התמלא ב-400 אלף ליטר נוזל ניקוי. בממוצע, חלקיק ניטרינו אחד בכל יום מקיים אינטראקציה עם אטום כלור, והופך אותו לארגון. למרבה הפלא, ריימונד דייויס, שהיה אחראי על הגלאי, המציא דרך לזהות את מעט אטומי הארגון, וארבעה עשורים מאוחר יותר, בשנת 2002, הוענק לו פרס נובל על ההישג הטכני המדהים הזה.
האסטרונומיה החדשה
מכיוון שהנייטרינים מקיימים אינטראקציה כה חלשה, הם יכולים לעבור מרחקים גדולים. הם נותנים לנו את ההזדמנות להסתכל על מקומות שאחרת לא היינו רואים. הנייטרינים שדייוויס גילה נוצרו על ידי תגובות גרעיניות שהתרחשו ממש במרכז השמש, והצליחו להימלט מהמקום הצפוף והחם להפליא הזה רק בגלל שהם כמעט לא מקיימים אינטראקציה עם חומר אחר. אפשר אפילו לזהות נייטרינו שעף ממרכזו של כוכב מתפוצץ מעל מאה אלף שנות אור מכדור הארץ.
בנוסף, החלקיקים הללו מאפשרים לצפות ביקום בקנה מידה קטן מאוד, קטן בהרבה ממה שמתאיץ ההדרונים הגדול בז'נבה, שגילה את בוזון ההיגס, יכול לבדוק. מסיבה זו החליטה ועדת נובל להעניק את פרס נובל על גילוי סוג נוסף של ניטרינו.
נעדר מסתורי
כשריי דייוויס צפה בניטרינו שמש, הוא מצא רק שליש מהמספר הצפוי. רוב הפיזיקאים האמינו שהסיבה לכך היא ידע לקוי באסטרופיזיקה של השמש: אולי מודלים של פנים הכוכב העריכו יתר על המידה את מספר הנייטרינים שנוצרו בו. אולם לאורך השנים, גם כשהמודלים הסולאריים השתפרו, המחסור נמשך. פיזיקאים הפנו את תשומת הלב לאפשרות נוספת: ייתכן שהבעיה קשורה להבנתנו את החלקיקים הללו. לפי התיאוריה הרווחת אז, לא הייתה להם מסה. אבל כמה פיזיקאים טענו שלחלקיקים היה למעשה אינפיניטסימלימסה, והמסה הזו הייתה הסיבה למחסור שלהם.
חלקיק שלוש-פנים
לפי תורת תנודות הניטרינו, ישנם שלושה סוגים שונים של ניטרינו בטבע. אם לחלקיק יש מסה, אז ככל שהוא נע, הוא יכול להשתנות מסוג אחד לאחר. שלושה סוגים - אלקטרונים, מיאון וטאו - בעת אינטראקציה עם חומר ניתן להמיר לחלקיק הטעון המתאים (אלקטרון, מיאון או טאו לפטון). "תנודה" מתרחשת עקב מכניקת הקוונטים. סוג הניטרינו אינו קבוע. זה משתנה עם הזמן. ניטרינו, שהחל את קיומו כאלקרון, יכול להפוך למיאון, ואז חזרה. לפיכך, חלקיק שנוצר בליבת השמש, בדרכו לכדור הארץ, יכול להפוך מעת לעת למיאון-נויטרינו ולהיפך. מכיוון שגלאי דייוויס יכול היה לזהות רק ניטרינו אלקטרונים המסוגלים להוביל להתמרה גרעינית של כלור לארגון, נראה היה אפשרי שהנייטרינים החסרים הפכו לסוגים אחרים. (כפי שמתברר, ניטרינו מתנודדים בתוך השמש, לא בדרכם לכדור הארץ.)
ניסוי קנדי
הדרך היחידה לבדוק זאת הייתה לבנות גלאי שעבד עבור כל שלושת סוגי הנייטרינו. מאז שנות ה-90, ארתור מקדונלד מאוניברסיטת קווינס באונטריו הוביל את הצוות שעשה זאת במכרה בסאדברי, אונטריו. המתקן הכיל טונות של מים כבדים בהשאלה מממשלת קנדה. מים כבדים הם צורה נדירה אך מתרחשת באופן טבעי של מים שבהם מימן, המכיל פרוטון אחד,הוחלף באיזוטופ הכבד יותר שלו דאוטריום, המכיל פרוטון ונייטרון. ממשלת קנדה אגרה מים כבדים מכיוון שהם משמשים כנוזל קירור בכורים גרעיניים. כל שלושת סוגי הנייטרונים יכלו להשמיד דוטריום כדי ליצור פרוטון ונויטרון, ואז הנייטרונים נספרו. הגלאי רשם בערך פי שלושה ממספר החלקיקים בהשוואה לדייוויס - בדיוק המספר שנחזה על ידי מיטב הדגמים של השמש. זה העלה שהאלקטרון-נויטרינו יכול להתנודד לסוגיו האחרים.
ניסוי יפני
בסביבות אותו הזמן, Takaaki Kajita מאוניברסיטת טוקיו ביצע עוד ניסוי יוצא דופן. גלאי שהותקן במכרה ביפן רשם ניטרינים שהגיעו לא מבטן השמש, אלא מהאטמוספירה העליונה. כאשר פרוטונים של קרניים קוסמיות מתנגשים באטמוספירה, נוצרים ממטרים של חלקיקים אחרים, כולל נויטרינו מיאון. במכרה הפכו גרעיני מימן למיואונים. גלאי הקג'יטה יכול היה לראות חלקיקים מגיעים לשני כיוונים. חלקם נפלו מלמעלה, באים מהאטמוספירה, בעוד שאחרים נעו מלמטה. מספר החלקיקים היה שונה, מה שהעיד על טבעם השונה - הם היו בנקודות שונות של מחזורי התנודה שלהם.
מהפכה במדע
הכל אקזוטי ומדהים, אבל למה תנודות ומסות ניטרינו מושכות כל כך הרבה תשומת לב? הסיבה פשוטה. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים שפותח במהלך חמישים השנים האחרונות של המאה העשרים,אשר תיאר בצורה נכונה את כל שאר התצפיות במאיצים ובניסויים אחרים, נייטרינו היו צריכים להיות חסרי מסה. גילוי מסת הניטרינו מעיד שמשהו חסר. הדגם הסטנדרטי אינו שלם. האלמנטים החסרים טרם התגלו, או דרך מאיץ ההדרונים הגדול או מכונה אחרת שטרם נוצרה.
