Neden Fizikçiler Hayalet Parçacıklarının En Tuhaflarını Avlıyorlar?


Her günün her saniyesinde, uzayın derinliklerinden aşağıya doğru inen trilyonlarca atom altı parçacık üzerine trilyonlarca bombalanıyorsunuz. Neredeyse ışık hızında patlayan kozmik bir kasırganın gücüyle senin içinden geçiyorlar. Gündüz ve gecenin her saatinde gökyüzünün her yerinden geliyorlar. Dünyanın manyetik alanına ve koruyucu atmosferimize çok fazla tereyağı gibi giriyorlar.

Ve yine de, başınızın üstündeki saçlar bile karıştırılmaz.

Neler oluyor?

Bu küçük minik mermilere, 1934 yılında parlak fizikçi Enrico Fermi tarafından söylenen bir terim olan nötrinolar denir. Kelime belli belirsiz bir şekilde "küçük nötr" için İtalyancadır ve onların varlığı çok meraklı bir nükleer reaksiyonu açıklamak için varsayılmıştır. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Bazen elementler biraz… kararsız hisseder. Ve eğer çok uzun süre yalnız kalırlarsa, dağılırlar ve kendilerini başka bir şeye, periyodik tablo üzerinde biraz daha hafif bir şeye dönüştürürler. Ayrıca, küçük bir elektron ortaya çıkacaktır. Ancak 1920'lerde, bu çürüklerin dikkatli ve ayrıntılı gözlemleri ufak tefek tutarsızlıklar buldu. İşlem başlangıcındaki toplam enerji çıkan enerjiden biraz daha büyüktü. Matematik eklemedi. Garip.

Bu yüzden, birkaç fizikçi bezinden yepyeni bir parçacık hazırladı. Kayıp enerjiyi uzaklaştıracak bir şey. Küçük bir şey, hafif bir şey, bedelsiz bir şey. Dedektörlerinden kaymayacak bir şey farkedilmeden.

Biraz, nötr olanı. Bir nötrino.

Varlığını onaylamak birkaç on yıl daha sürdü – işte bu kadar kaygan, akıllıca ve sinsi. Fakat 1956'da, nötrinolar bilinen, ölçülen, onaylanmış parçacıkların büyüyen ailesine katıldı.

Ve sonra işler tuhaflaştı.

Sorun, tesadüfen, nötrino fikrinin temel kazanmaya başladığı aynı zamanda meydana gelen müonun keşfedilmesiyle ortaya çıkmaya başladı: 1930'lar. Muon neredeyse tamamen bir elektron gibidir. Aynı ücret. Aynı dönüş Ama çok önemli bir şekilde farklı: Ağır, kardeşinden, elektronundan 200 kat daha ağır.

Müonlar kendi özel tepki türlerine katılırlar, ancak uzun sürmezler. Etkileyici kütleleri nedeniyle, çok dengesizdirler ve daha küçük parçaların sağanaklarına hızlı bir şekilde çürürler (burada "hızlı" bir mikrosaniye veya iki içinde ifade eder).

Her şey yolunda ve güzel, öyleyse neden müonlar neden nötrino hikayesine bakıyorlar?

Fizikçiler, nötrinoların varlığını öne süren çürüme reaksiyonlarının her zaman bir elektron patladığını ve hiçbir zaman bir müon olmadığını fark ettiler. Diğer reaksiyonlarda, muonlar elektrondan değil, dışarı fırlarlardı. Bu bulguları açıklamak için, nötrinoların her zaman bu çürüme reaksiyonlarında (ve diğer herhangi bir nötrinoya değil) elektronlarla eşleşmesi gerektiğine, elektronun ise müonun henüz keşfedilmemiş bir tür nötrino ile eşleşmesi gerektiğine hükmetti. elektron dostu nötrino, müon olaylarından gözlemleri açıklayamaz. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Ve böylece av devam etti. Ve üzerinde. Ve üzerinde. 1962 yılına kadar fizikçiler nihayet ikinci nötrino türünü kilitlediler. Başlangıçta “nötretto” olarak adlandırıldı, ancak daha rasyonel başlıklar ona müon-nötrino adını verme şemasıyla öne çıktı, çünkü her zaman müonla reaksiyonlarda kendisini eşleştirdi.

Tamam, yani iki onaylı nötrino. Doğanın bizim için daha fazla sakladığı var mı? 1975'te, Stanford Linear Accelerator Center'daki araştırmacılar, çevik elektron ve ağır müonlara daha da ağır bir kardeşin varlığını ortaya çıkarmak için cesurca monoton veri dağları boyunca ellerinde bulundular: hulking tau, elektronun kütlesinin 3.500 katına bakan . Bu büyük bir parçacık!

Yani hemen soru şu oldu: Üç parçacıklı bir aile varsa, elektron, muon ve tau… bu yeni yaratıkla eşleşecek üçüncü bir nötrino olabilir mi?

Belki, belki değil. Belki sadece iki nötrino vardır. Belki dört tane vardır. Belki 17. Doğa daha önce beklentilerimizi tam olarak karşılamamıştır, bu nedenle şimdi başlamak için bir neden yok.

Fizikçiler, on yıllar boyunca pek çok korkunç ayrıntıyı atlayarak, üçüncü bir nötrino'nun var olması gereken çeşitli deney ve gözlemleri kullanarak kendilerini ikna ettiler. Ancak, 2000 yılında, Fermilab'da özel olarak tasarlanmış bir deney (NU Tau'nun Doğrudan Gözlenmesi için mizahi DONUT deneyi olarak adlandırıldı ve hayır, bunu yapmıyorum) sonunda, milenyumun sonuna kadar değildi. Bir tespiti haklı olarak talep etmek için yeterli sayıda onaylanmış görüş.

Peki neden nötrinoları bu kadar önemsiyoruz? II. Dünya Savaşı'ndan önce modern çağa kadar neden onları 70 yıldan fazla bir süredir takip ediyoruz? Bilim adamları nesiller neden bu küçük, tarafsız olanlar tarafından büyülendi?

Bunun nedeni, nötrinoların beklentilerimizin dışında yaşamaya devam etmesidir. Uzun süredir var olduklarından bile emin değildik. Uzun bir süre boyunca, deneyler kitlesel olması gerektiğini sinir bozucu bir şekilde keşfedene kadar, tamamen kitlesiz olduklarına ikna olduk. Tam olarak "ne kadar" modern bir problem olmaya devam ediyor. Ve nötrinolar seyahat ederken karakter değiştirmekte can sıkıcı bir alışkanlığa sahiptir. Doğru, bir nötrino uçuşta seyahat ederken, üç lezzet arasında maskeleri değiştirebilir.

Fizikçilerin açlıktan avladıkları steril nötrino olarak bilinen, herhangi bir normal etkileşime girmeyen hala bir ek nötrino bile olabilir.

Başka bir deyişle, nötrinolar sürekli olarak fizik hakkında bildiğimiz her şeye meydan okumaktadır. Hem geçmişte hem de gelecekte ihtiyaç duyduğumuz bir şey varsa, bu iyi bir mücadeledir.

Paul M. Sutter bir astrofizikçi Ohio Eyalet Üniversitesi, birşeyin sahibi Bir uzaylı sor ve Uzay Radyosu, ve yazarı Evrendeki Yerin.

Aslen yayınlandı Canlı Bilim.