Znajdź zawartość

Na początku było po równo - materii i antymaterii. Tak głosi teoria Wielkiego Wybuchu. Tymczasem nasz świat złożony jest wyłącznie z materii. Gdzie się zatem podziała cała antymateria, którą obserwujemy tak rzadko? Ośmioletnie badania nad neutrinami w ośrodku Fermilab sugerują zaburzenie symetrii CP (ładunku i przestrzeni) pomiędzy materią i antymaterią i mogą stanowić wyjaśnienie zagadkowej nierównowagi. Neutrino, jedna z podstawowych cząstek Modelu Standardowego jest wyjątkowo trudnym obiektem badań. Nie posiada ładunku elektrycznego i niemal nie posiada masy. Rzadko styka się z większymi cząsteczkami a trudno obserwować coś, co przelatuje na wylot przez każdą aparaturę badawczą. Dlatego badania nad neutrinami wymagają olbrzymich detektorów i szaleńczej cierpliwości. Coś jednak wiemy: neutrina, jakie znamy, występują w trzech odmianach (zwanych zapachami) - neutrino elektronowe, mionowe i taonowe. Jedną z zagadkowych ich właściwości jest oscylacja - biegnąc przez przestrzeń neutrina nieustannie przechodzą z jednego rodzaju w drugie. Podobnie ma się sprawa, jak się uważa, z antyneutrinami. Przynajmniej uważano do niedawna, bo dziś kwestia nie jest taka pewna. W roku 1990 (w skali czasu potrzebnego na badanie neutrin to bardzo niedawno) badania wykonywane przy pomocy detektora neutrin LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) w Laboratorium Narodowym w Los Alamos wykazały większą od spodziewanej ilość oscylacji antyneutrin na niewielkich odległościach, co mogło sugerować istnienie czwartego typu (zapachu) neutrina, nazwanego „sterylnym". Więc jest ta symetria, czy jej nie ma? Potwierdzenie takich odkryć nie jest łatwe i nikomu się nie udawało. Dlatego w roku 2002 w ośrodku badawczym Fermilab pod Chicago zbudowano detektor neutrin MiniBooNE. Zbudowany jest on z półkilometrowego podziemnego tunelu, na którego krańcu znajduje się ogromny zbiornik z olejem mineralnym. Zderzenia neutrin - bardzo rzadkie - z cząsteczkami oleju są rejestrowane i można stwierdzić, do jakiego typu należało kolidujące neutrino. Przez pięć lat prowadzono obserwację oscylacji neutrin i wreszcie w roku 2007 uznano, że kontrowersyjne odkrycie z Los Alamos nie zostało potwierdzone. Od tego czasu jednak przerzucono się na gromadzenie danych na temat oscylacji antyneutrin. Po trzech latach rejestracji można było wstępnie przejrzeć wyniki - i tu zaskoczenie: zaobserwowano więcej oscylacji antyneutrin, niż wynikałoby z wyliczeń dla jedynie trzech typów. Otwiera się pole dla istnienia czwartego zapachu antyneutrina i niewykluczone, że również następnych. Rezultat jest pierwszym doświadczalnym obaleniem symetrii CP - teorii, że materia i antymateria zachowują się jednakowo, w sposób „lustrzany" względem siebie. Pociąga to za sobą istną rewolucję: konieczność przebudowania całego Modelu Standardowego i fizyki cząsteczkowej. Fizycy teoretycy już tworzą pierwsze teorie i modele wyjaśniające ten fenomen i uzupełniające naszą wiedzę. Zanim jednak rewolucja w fizyce zostanie hucznie ogłoszona, potrzebne jest jej mocniejsze potwierdzenie. Po trzech latach gromadzenia danych ich pewność wynosi 99,7% - dla zwykłego człowieka dużo, dla naukowca wciąż zbyt mało. Aby wynik uznano za dowiedziony, potrzebna jest pewność przynajmniej 99,99994%. Dlatego rejestracja danych i badanie oscylacji antyneutrin w Fermilabie będzie trwało jeszcze przynajmniej półtora roku.

Neutrina fascynują fizyków od czasu, kiedy były jeszcze teoretycznym pomysłem Wolfganga Pauliego, który zapostulował ich istnienie w 1930 roku. Praktyczne potwierdzenie ich istnienia w latach sześćdziesiątych nie zakończyło fascynacji - wciąż pozostawały mało uchwytne i tajemnicze. Zagadka, z jaką nauka mierzyła się w ostatnich latach, to tzw. oscylacja neutrin, czyli zamiana neutrina mionowego w neutrino taonowe. Zagadkę rozwiązała OPERA. Znikanie jednego rodzaju neutrin obserwowano już wielokrotnie, ale próby zarejestrowania oczekiwanego pojawienia się, jakie podejmowano przez ostatnie kilkanaście lat, spełzały na niczym. Fiaskiem zakończyły się między innymi eksperymenty CHORUS i NOMAD, przeprowadzanie w europejskim CERN. Dopiero później nowe teoretyczne badania dowiodły, że aparatura rejestrująca powinna znajdować w znacznie większej odległości od źródła. Stąd pomysł eksperymentu OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Aparaturę reejstrującą umieszczono aż 730 kilometrów od synchrotronu CERN w Genewie, we włoskim Narodowym Laboratorium Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). W ciągu trzech milisekund wiązka neutrin przebywała tę odległość, biegnąc pod malowniczymi krajobrazami połowy Europy. Tak działo się od 2006 roku, kiedy zainaugurowano projekt. 31 maja tego roku odnotowano pierwszy sukces: zamianę neutrina mionowego w neutrino tau. Potwierdzenie słuszności koncepcji oscylacji neutrinowej uzupełnia obraz Modelu Standardowego, otwierając drzwi do nowych koncepcji w fizyce cząstek, kosmologii i astrofizyce. Eksperyment OPERA jest efektem współpracy zespołów naukowych z wielu krajów: Belgii, Chorwacji, Francji, Niemiec, Izraela, Włoch, Japonii, Korei, Rosji, Szwajcarii, Tunezji i Turcji.