Strašni smo u neutrinama. Oni su među najlakšim od dva desetaka ili toliko poznatih subatomskih čestica, a dolaze iz svih smjerova: od Velikog praska koji je započeo svemir, od eksplodiranja zvijezda i, ponajviše, od sunca. Oni dolaze ravno kroz zemlju brzinom svjetlosti, cijelo vrijeme, danju i noću, u ogromnom broju. Oko 100 trilijuna neutrina prolazi kroz naša tijela svake sekunde.
Povezani sadržaj
- Otvaranje neobičnih portala iz fizike
Problem fizičara je taj što je neutrine nemoguće vidjeti i teško ih je detektirati. Bilo koji instrument dizajniran za to može se smatrati čvrstim na dodir, ali za neutrine, čak je i nehrđajući čelik uglavnom prazan prostor, toliko otvoren kao i kometa. Nadalje, neutrini, za razliku od većine subatomskih čestica, nemaju električni naboj - neutralni su, otuda i ime - pa znanstvenici ne mogu koristiti električne ili magnetske sile da ih uhvate. Fizičari ih nazivaju "česticama duhova".
Da bi uhvatili ove neuhvatljive cjeline, fizičari su proveli neke izvanredno ambiciozne eksperimente. Tako da se neutrini ne brkaju s kozmičkim zrakama (subatomske čestice iz svemira koje ne prodiru u zemlju), detektori se postavljaju duboko pod zemljom. Ogromne su smještene u rudnicima zlata i nikla, u tunelima ispod planina, oceana i na ledu Antarktika. Ovi čudno lijepi uređaji su spomenici ljudskoj odlučnosti da nauče o svemiru.
Nejasno je koje će se praktične primjene pojaviti iz proučavanja neutrina. "Ne znamo kuda će to voditi", kaže Boris Kayser, teorijski fizičar iz Fermilaba u Bataviji u državi Illinois.
Fizičari dijelom proučavaju neutrine jer su neutrini tako neobični likovi: čini se da krše pravila koja prirodu opisuju u njenom najosnovnijem obliku. A ako će fizičari ikada ispuniti nade za razvoj koherentne teorije stvarnosti koja bez izuzetka objašnjava osnove prirode, morat će objasniti ponašanje neutrina.
Osim toga, neutrini zaintrigiraju znanstvenike, jer su čestice glasnici iz vanjskih dosega svemira, stvoreni nasilnim eksplozijama galaksija i drugim misterioznim pojavama. "Neutrini nam mogu reći stvari koje čestice humdruma ne mogu", kaže Kayser.
Fizičari su zamišljali neutrine mnogo prije nego što su ih ikada pronašli. 1930. godine stvorili su koncept za uravnoteženje jednadžbe koja se nije zbrajala. Kad se jezgro radioaktivnog atoma raspada, energija čestica koje emitira mora biti jednaka energiji koju je prvotno sadržavala. Ali u stvari, primijetili su znanstvenici, jezgro gubi više energije nego što su detektori pokupili. Kako bi uzeo u obzir tu dodatnu energiju, fizičar Wolfgang Pauli zamislio je dodatnu, nevidljivu česticu koju emitira jezgra. "Danas sam učinio nešto vrlo loše predloživši česticu koja se ne može otkriti", napisao je Pauli u svom časopisu. "To je nešto što niti jedan teoretičar nikada ne bi trebao učiniti."
Eksperimentalisti su ga svejedno počeli tražiti. Sredinom pedesetih godina prošlog stoljeća u laboratoriji za nuklearno oružje postavili su dva velika spremnika vode ispred nuklearnog reaktora koji su, prema njihovim jednadžbama, trebali napraviti deset bilijuna neutrina u sekundi. Detektor je prema današnjim standardima bio sićušan, ali ipak je uspio uočiti neutrine - tri sata. Znanstvenici su utvrdili da je predloženi neutrino ustvari stvaran; ubrzano je proučavanje neuhvatljivih čestica.
Desetljeće kasnije polje se povećalo kada je druga skupina fizičara postavila detektor u rudniku zlata Homestake, u mjestu Lead u Južnoj Dakoti, 4.850 metara pod zemljom. U ovom eksperimentu znanstvenici su namjeravali promatrati neutrine nadgledajući ono što se događa u rijetkim prilikama kada se neutrino sudari s atomom klora i stvori radioaktivni argon, što se lako može otkriti. U jezgri pokusa bio je spremnik napunjen 600 tona tekućine bogate klorom, perkloretilena, tekućine koja se koristi za kemijsko čišćenje. Svakih nekoliko mjeseci, znanstvenici bi isprali tenk i izvadili oko 15 atoma argona, što je dokaz o 15 neutrina. Praćenje se nastavilo više od 30 godina.
Nadajući se otkrivanju neutrina u većem broju, znanstvenici u Japanu vodili su eksperiment podzemne površine 300 metara u rudniku cinka. Super-Kamiokande, ili Super-K, kako je poznato, počeo je s radom 1996. Detektor se sastoji od 50 000 tona vode u kupolastom spremniku čiji su zidovi prekriveni s 13 000 senzora svjetlosti. Senzori detektiraju povremeni plavi bljesak (previše slab da bismo ga vidjeli oči) nastao kada se neutrino sudari s atomom u vodi i stvori elektron. I pronalazeći točan put kojim je elektron putovao u vodi, fizičari su mogli zaključiti izvor, u svemiru, neutrinog sudara. Većina ih, otkrili su, potječu od sunca. Mjerenja su bila dovoljno osjetljiva da je Super-K mogao pratiti sunčev put preko neba i, s gotovo milje ispod površine zemlje, gledao kako se dan pretvara u noć. „Doista je uzbudljiva stvar“, kaže Janet Conrad, fizičarka sa Tehnološkog instituta u Massachusettsu. Pjesme s česticama mogu se sastaviti tako da se stvori "prekrasna slika, slika sunca u neutrinama."
Ali eksperimenti Homestake i Super-K nisu otkrili onoliko neutrina koliko su fizičari očekivali. Istraživanje u Neutrinskom opservatoriju Sudbury (SNO, izgovarano "snijeg") utvrdilo je zašto. Postavljen u rudnik nikla dubokog 6.800 metara u Ontariju, SNO sadrži 1.100 tona "teške vode", koja ima neobičan oblik vodika koji relativno lako reagira s neutrinama. Tekućina je u spremniku suspendiranom unutar ogromne akrilne kugle koja se sama nalazi u geodetskoj nadgradnji, koja apsorbira vibracije i na koju su obješene 9 456 senzora svjetla - cijela stvar izgleda poput ukrasa božićnog drvca visokog 30 stopa.
Znanstvenici koji rade u SNO-u otkrili su 2001. da se neutrino može spontano prebaciti između tri različita identiteta - ili kako fizičari kažu, to oscilira između tri okusa. Otkriće je imalo iznenađujuće posljedice. Kao prvo, pokazalo se da su prethodni eksperimenti otkrili puno manje neutrina nego što je predviđeno jer su instrumenti bili podešeni na samo jedan okus neutrina - vrstu koji stvara elektron - i nedostajali su oni koji su se prebacivali. Drugo, nalaz je srušio uvjerenje fizičara da neutrino, poput fotona, nema masu. (Osciliranje među okusima nešto je što mogu učiniti samo čestice s masom.)
Koliku masu imaju neutrini? Da bi to otkrili, fizičari grade KATRIN - pokus Karutruhe Tritium Neutrino. KATRIN-ov poslovni kraj ima 200-tonski uređaj nazvan spektrometar koji će mjeriti masu atoma prije i nakon što se radioaktivno raspadaju - otkrivajući na koliko mase neutrino otpada. Tehničari su spektrometar izgradili oko 250 milja od Karlsruhea u Njemačkoj, gdje će pokus pokrenuti; uređaj je bio prevelik za uske ceste regije, pa je postavljen na brod na rijeci Dunav i plovio je pored Beča, Budimpešte i Beograda, u Crno more, preko Egeja i Sredozemlja, oko Španjolske, preko Engleskog kanala, do Rotterdama i do Rajne, a zatim na jug do riječne luke Leopoldshafen, Njemačka. Tamo su ga prebacili na kamion i projurili kroz grad do odredišta, dva mjeseca i 5.600 milja kasnije. Planirano je da započne prikupljanje podataka u 2012. godini.
Fizičari i astronomi zainteresirani za informacije koje neutrini iz svemira mogu nositi oko supernova ili sudarajuće galaksije postavili su neutrinske "teleskope". Jedan, nazvan IceCube, nalazi se unutar ledenog polja na Antarktiku. Kada bude dovršen, 2011. godine sastojat će se od više od 5000 senzora plave svjetlosti (vidi gornji dijagram). Senzori nisu usmjereni prema nebu, kao što biste mogli očekivati, već prema zemlji, kako bi otkrili neutrine sunca i svemira koji preko planeta dolaze sa sjevera. Zemlja blokira kozmičke zrake, ali većina neutrina prolazi kroz planet dug 8000 milja kao da ga nije bilo.
Eksperiment s neutrinama na velike udaljenosti odvija se u nekoliko država Srednjeg Zapada. Visokoenergetski akcelerator, koji stvara subatomske čestice, puca grede neutrina i srodnih čestica duboko čak šest milja, ispod sjevernog Illinoisa, preko Wisconsina, u Minnesotu. Čestice počinju u Fermilabu, u sklopu eksperimenta nazvanog Glavna ubrizgavajuća neutralna oscilacija (MINOS). Za manje od tri tisuće sekunde pogodili su detektor u rudniku željeza Soudan, udaljenom 450 milja. Podaci koje su prikupili znanstvenici kompliciraju njihovu sliku ovog beskonačno minimalnog svijeta: sada se čini da egzotični oblici neutrina, takozvani anti-neutrini, možda ne slijede ista pravila oscilacije kao ostali neutrini.
"Ono što je u redu", kaže Conrad, "je da nije ono što smo očekivali."
Kada je u pitanju neutrino, vrlo je malo.
Najnovija knjiga Ann Finkbeiner, Grand and Bold Thing, govori o istraživanju digitalnog neba Sloan, pokušaju mapiranja svemira.
Većina neutrina koji nas bombarduju dolazi od sunca, prikazanih ovdje na ultraljubičastoj slici. (NASA) 
Kavernozni detektor Super-Kamiokande u Japanu obložen je 13 000 senzora koji će odrediti znakove neutrina. Radnici u čamcu nadgledaju uređaj dok se puni vodom. (Opservatorij Kamioka, ICRR (Institut za istraživanje kozmičkih zraka), Sveučilište u Tokiju) 
U nizu reakcija na sunčevoj jezgri, atomi vodika stvaraju helij fuzijom. Proces oslobađa energiju i subatomske čestice, uključujući neutrine. Kad foton ili čestica svjetlosti napuste sunčevu gustu jezgru, on ostaje zarobljen u vrućini i bijesu i možda neće doseći nas milionima godina. Ali solarni neutrino je neizmijenjeno i stiže na zemlju za osam minuta. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
Kanadski Neutrino opservatorij Sudbury potvrdio je da neutrino može promijeniti svoj identitet. (SNO) 
Fizičari iz Brookhaven National Laboratorya u New Yorku, koji je ovdje prikazan u laboratoriju STAR detektor, nadaju se da će ispaliti neutrino snop pod zemlju do rudnika Homestake u Južnoj Dakoti. (BNL) 
MINOS detektor neutrina u Minnesoti meta je snopa neutrinova pucanih iz Illinoisa. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRIN spektrometar, koji će mjeriti neutrinu mase, istisnut kroz Leopoldshafen, Njemačka, na putu za laboratorij. (Tehnički institut Karlsruhe) 
Icecube neutrino detektor na Antarktici ugrađen je u led. Sa 5000 senzora pričvršćenih na više od 70 linija, IceCube će tražiti neutrine koji su prošli 8000 milja kroz planetu. (Sveučilište Wisconsin u Madisonu) 
Niz senzora spušta se u rupu duboku 8000 stopa. (Jim Haugen / Nacionalna zaklada za znanost)
