Teoria relativităţii supravieţuieşte testului neutrinilor

pe 16 Octombrie 2008 (Joi). Ultima actualizare pe 07 Noiembrie 2008 (Vineri)

Experimentul MINOS de la laboratorul american Fermilab a supus la un test teoria relativităţii cu ajutorul unui fascicul de neutrini. Acesta ar fi trebuit să prezinte mici anomalii în deplasarea sa dacă cumva există în Univers şi un nou câmp care ar viola principiul de bază al teoriei relativităţii, anume invarianţa Lorentz. Detectarea unui astfel de câmp ar avea implicaţii profunde asupra înţelegerii Big Bang-ului. Cum nici o pertubare nu a fost observată în mişcarea neutrinilor pe drumul lor de câteva sute de kilometri între Fermilab şi un detector din mina Soudan, înseamnă ori că un astfel de câmp nu există, ori este prea slab pentru a putea fi detectat cu tehnologia din prezent. Articolul a apărut în ediţia din 10 octombrie 2008 a prestigioasei reviste Physical Review Letters.

Experimentul MINOS de la Fermilab. Puteţi vizita siteul pentru public al experimentului MINOS de la Fermilab de aici.

Când spui Fermilab, spui în primul rând Tevatron, acceleratorul de particule cel mai puternic din lume în ultimele două decenii, care a realizat multe progrese în înţelegerea fizicii particulelor, cel mai cunoscut dintre ele fiind descoperirea (şi ulterior studierea precisă) a cuarcului top. Totuşi, Fermilab este mai mult decât atât. Este laboratorul naţional de fizica particulelor a Statelor Unite. Pe lângă acceleratorul Tevatron care ciocneşte două fascicule de protoni, mai are şi o mulţime de experimente care ciocnesc un fascicul de protoni de un material pentru a obţine de aici fascicule de alte particule subatomice, precum mezoni, muoni sau chiar ... neutrino.

Neutrinii nu au nevoie de tevi cu vid aproape perfect prin care să circule, aşa cum este nevoie pentru celelalte particule. Fasciculele de neutrino produse la Fermilab călătoresc perfect în linie dreaptă, direct prin Pământ. În cazul de faţă, ele trec mai întâi prin detectorul MINOS de la Fermilab, iar apoi călătoresc spre nord spre un alt detector aflat în o mină adâncă foarte aproape de graniţa dintre Statele Unite şi Canda (mina Soudan din statul Minnesota).

Câmpul care ar viola principiul relativităţii nu a fost observat 

Comparând datele colectate de cele două detectoare, cercetătorii au constat că nu apar anomalii în deplasarea neutrinilor aşa cum ar fi apărut dacă în Univers ar exista un câmp care violează principiile relativităţii şi care ar fi suficient de puternic pentru a fi detectat. Prin urmare, ori acest câmp nu există, ori este deocamdată prea slab. Chestiunea este foarte importantă, pentru că pentru a înţelege momentele de imediat după Big Bang, trebuie o teorie cuantică a gravitaţiei şi pentru aceasta sunt două posibilităţi. Fie teoria corzilor (string theory) care respectă principiul relativităţii şi se bazează pe acesta, fie teoria buclelor cuantice (quantum loop gravity) care nu cere neapărat respectarea acestui principiu. Descoperirea unui astfel de câmp ar putea să infirme aşadar teoria corzilor şi să îndemne cercetătorii în a studia în detaliu cealaltă teorie. Datoria experimentelor este de a testa mereu, iar şi iar, teoriile curente şi chiar să se uite de lucruri noi care nu ar fi prezise încă de nici o teorie.

O excursiune în caverna detectorului de neutrini MINOS.

Mai multe despre neutrini 

Neutrinii sunt poate cele mai fascinante particule elementare. Apar atunci când o particulă se transformă în altă particulă, precum atunci când în o dezintegrare radioactivă un neutron se transformă în un proton, un electron şi un antineutrino electronic. Sunt produşi aşadar în număr mare la reactoarele nucleare de pe Pământ şi în reactorul nuclear uriaş din Soare. În fiecare secundă, prin unghia de la degetul mare vă trec mai bine de câteva miliarde de neutrino. Totuşi, nu este nici un pericol, pentru că aceştia interacţionează aşa de rar cu materia, încât ei pot trece prin întreaga planetă nestingheriţi. Tocmai de aceea interacţiei în care intervin neutrinii i se zice şi interacţia slabă.

Neutrinii au fost prezişi teoretic în 1930 de Wolfgang Pauli şi au fost observaţi experimental pentru prima dată în 1956 de Clyde Cowan şi Frederick Reines, pentru care au primit Premiul Nobel în fizică în 1995. Neutrinul detectat atunci era cel care corespundea electronului. În 1962, a fost descoperit şi tipul de neutrino care corespunde muonului, fratele "mai mare" al electronului (mai precis, de aproape două sute de ori mai masiv decât acesta), pentru care a fost acordat premiul Nobel pentru fizică în 1988 lui Leon Lederman, Melvin Schwarz şi Jack Steinberger. Al treilea tip de neutrino, cel care corespunde leptonului tau, fratele "şi mai mare" al electronului (mai precis de aproape trei mii cinci sute de ori mai masiv decât electronul şi de mai bine de o dată şi jumătate mai masiv chiar şi decât protonul), a fost descoperit în anul 2000 de experimentul DONUT tot de la Fermilab, iar un premiu Nobel nu a fost acordat pentru această descoperire.

Un documentar de 40 de minute despre neutrini.

Există aşadar trei tipuri de neutrino. Se credea despre ei că au masă zero şi deci merg mereu cu viteza luminii. Totuşi, deja de zece ani ştim că aceasta nu este adevărat. Neutrinii au masă, e drept foarte foarte mică, mult mai mică şi decât masa electrinilor. Prin urmare, ei merg cu viteză foarte aproape de viteza luminii, dar nu chiar egală cu aceasta. Descoperirea a fost făcută în 1998 de experimentul Super-Kamiokande din Japonia care studiind neutrini ce vin de la Soare a arătat că de fapt aceşti neutrini se pot transforma unul în altul în timpul călătoriei lor de la Soare către Pământ. Ori această oscilaţie nu se poate întâmpla decât dacă neutrinii au o masă diferită de zero.

Totuşi, neutrinii acum încă mari mistere. Nu li se ştie masa fiecăruia dintre ei, se ştie doar că este foarte mică. Nu se ştie dacă antiparticula neutrinilor este tot neutrinul (cum de exemplu se ştie despre foton, căci antiparticula fotonului este fotonul), sau poate că antiparticula neutrinului este antineutrinul (optiune considerată de teoria curentă, până la proba contrarie).

Articol scris pentru www.StiintaAzi.ro de Adrian Buzatu. Puteţi citi mai multe pe PhysOrg, la experimentul MINOS şi pe Wikipedia. Vă invităm să discutaţi despre neutrini pe Forum.