Neutrino sterylne - poza Modelem Standardowym

Hipotetyczna możliwość istnienia czwartego neutrina od końca lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku spędza sen z powiek zarówno zwolennikom Modelu Standardowego cząstek elementarnych, jak i fizykom kwestionujący jego przydatność. Poszukiwania czwartej “pachnącej” cząstki trwają. Stawka jest wysoka, bowiem jej “schwytanie” mogłoby pozwolić fizykom na przeniknięcie z obszaru opisywanego przez Model Standardowy do pogrążonego w mroku rejonu badań nad ciemną materią i energią. Niestety Model standardowy, jedna z najlepiej zweryfikowanych teorii fizycznych, nie przewiduje istnienia takiej cząstki. Wiadomo jednak, iż nie jest on kompletny, i nie opisuje tego co związane jest np. z “ciemną” składową masy Wszechświata. Tymczasem pewne eksperymenty z 1996 roku dały podstawę do uznania istnienia jeszcze czwartego zapachu - neutrina sterylnego, cząstki, która z materią mogłaby oddziaływać jedynie poprzez grawitację.

Słów kilka o neutrinach

Neutrina to wyjątkowe cząstki. Początkowo sądzono, iż są pozbawione masy, poźniej jednak zweryfikowano teorię przypisując im niewielką, bliską zeru (ale niezerową), masę spoczynkową, a także możliwość przemieszczania się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Przyjmuje się, iż neutrina występują w trzech odmianach nazywanych zapachami (fizycy bywają poetyccy): elektronowym, mionowym oraz taonowym. Owe zapachy odpowiadają kombinacjom różnych stanów masowych. Gdy neutrina poruszają się, wówczas stany masowe przemierzają przestrzeń z nieco odmiennymi prędkościami, co z kolei prowadzi do zmiany mieszanki stanów i transformacji zapachów (oscylacje). W ten sposób zapachy mogą zmieniać się w czasie: cząstka elektronowa przeobraża się podczas swej drogi np. w neutrino taonowe. Dziwne? Neutrino sterylne byłoby jednak najbardziej unikatowe ze wszystkich. Nie podlegałoby żadnym oddziaływaniom - silnym, słabym, ani elektromagnetycznym. W związku z tym byłoby ekstremalnie trudne do wykrycia, mogłoby oddziaływać z ciemną materią za pośrednictwem być może nieznanych jeszcze sił, albo samemu ją współtworzyć.

Krótka historia poszukiwań czwartego neutrina

Pierwsze przesłanki istnienia neutrin sterylnych pojawiły się już w latach sześćdziesiątych w wyniku badań słonecznej emisji cząstek tego rodzaju. Liczba rejestrowanych, znanych wówczas neutrin elektronowych, okazała się znacząco niższa od przewidywań teoretycznych. Jednak to nie Słońce emitowało mniejszy od przewidywanego strumień cząstek. Mniejszy strumień odbierały jedynie ziemskie detektory, bowiem neutrina docierały w zmienionej postaci ulegając po drodze wspomnianym wyżej oscylacjom. Możliwość zmiany zapachu musiała oznaczać niezerową masę cząstek oraz niemożność poruszania się z prędkością światła, co z kolei stawało się problematyczne w ramach analiz wynikających z Modelu Standardowego.

Na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku neutrina były przedmiotem badań z wykorzystaniem specjalnych systemów pomiarowych LSND oraz Mini-BooNE. To właśnie wtedy pojawiły się przesłanki świadczące o istnieniu jeszcze jednego zapachu. Ponieważ przyjmuje się, iż neutrina sterylne mogą mieć nieco większą masę od trzech pozostałych, proces oscylacji powinien w tym przypadku zachodzić szybciej - dla obserwatora takie neutrino powinno w tym fragmencie swego przemieszczania zniknąć, aby pojawić się ponownie w formie jednego z trzech znanych zapachów. Takie zachowanie zostało zaobserwowane: neutrina mionowe znikały o wiele szybciej niż przewidywano, a liczba rejestrowanych neutrin elektronowych wzrastała, przy czym proces zachodził na odcinkach znacznie krótszych od oczekiwań. Obliczenia wskazywały na znacznie niższy stopień przemiany neutrin mionowych w elektronowe na danym odcinku pomiarowym, oczywiście jeśli nie brać pod uwagę udziału neutrin sterylnych. Tego typu anomalie zaobserwowano także w przypadku innych eksperymentów, np. z wykorzystaniem detektorów badających cząstki emitowane podczas pracy reaktorów jądrowych.

Badania zaczęto prowadzić na szerszą skalę. Neutrin sterylnych poszukiwać zaczął IceCube Neutrino Observatory zlokalizowany na Antarktydzie. Raport opublikowany w 2016 roku nie potwierdził jednak ich istnienia. Analiza dotyczyła tzw. neutrin atmosferycznych, czyli neutrin powstałych w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych z cząsteczkami górnych warstwach atmosfery ziemskiej. System fotodetektorów (5160 czujników) rozmieszczony w kilometrze sześciennym lodu rejestrował rozbłyski charakterystycznego niebieskiego promieniowania Czerenkowa, cząstek wyzwalanych wskutek oddziaływania neutrin z jądrami atomów antarktycznego lodu. Zespół badawczy poszukiwał zderzeń neutrin występujących w przedziale energii od 320 GeV do 20 TeV - w przyjętym zakresie sterylne neutrina ujawniłyby, zdaniem naukowców, ewidentne przesłanki swojej obecności.

Antarktyczne fiasko i kolejne eksperymenty badawcze

W wyniku eksperymentów stwierdzono jednak prawie pewne (99%) nieistnienie czwartego rodzaju neutrina. Ale “prawie” definitywnie nie rozstrzyga sprawy - kolejne projekty badawcze, w tym Short-Baseline Neutrino w Fermilab oraz Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) w los Alamos National Labs szukają już dowodów potwierdzających obecność sterylnego neutrina. Projekt badawczy CCM przewiduje rejestrację dłuższego w czasie odcinka procesu oscylacji. Technicznie eksperyment polega na akceleratorowym przyspieszaniu protonów bombardujących wolframową płytę w celu wyzwolenia neutronów w procesie zwanym spallacją. Część energii, która uwalnia się w tych zderzeniach generuje powstanie pionów, nietrwałych cząstek ulegających rozpadowi na miony oraz neutrina mionowe. 

Coherent CAPTAIN-Mills

Proces badawczy wykorzystywać będzie zjawisko koherentnego rozpraszania będące implikacją dualizmu falowo-korpuskularnego - każdą cząstkę można bowiem rozpatrywać także jako falę. Niskoenergetyczne neutrino, którego wymiar w sensie długości fali zbliżony jest w rozmiarze do średnicy jądra, oddziałuje z całym jądrem, nie tylko z pojedynczym protonem albo neutronem, jak to ma miejsce w przypadku szybkich, wysokoenergetycznych neutrin odpowiadających falom krótszym. Uderzenia neutrin niskoenergetycznych o jądra atomowe nazywane jest właśnie rozpraszaniem koherentnym - rozmiar jądra i długość fali neutrina są zbliżone. Efektem takich zderzeń jest odrzut całego atomu i emisja światła, co może być rejestrowane przez odpowiedni detektor. Neutrino zmienia swój kierunek, a przyrządy pomiarowe są w stanie uzyskać informacje dotyczące rozproszenia neutrina i energii kinetycznej uzyskane przez atom. Metoda rozpraszania koherentnego nie pozwala określić zapachu cząstki, ale można za jej pomocą mierzyć sumę wszystkich zapachów uczestniczących w zderzeniach. Jeśli suma nie będzie zgodna z oczekiwaną liczbą cząstek, wówczas winne mogą być neutrina sterylne, które nie będą brać udziału w tego typu oddziaływaniach.

Prawdopodobieństwo trafienia w jądro atomowe jest większe niż w przypadku nukleonu, stąd możliwość wykorzystania mniejszych detektorów i większa swoboda w ich operowaniu - detektor może być przemieszczany i możliwa staje się obserwacja neutrin nawet w niewielkich odległościach od źródła. Wykrycie dostatecznie częstych oscylacji neutrin da poważny argument zwolennikom czwartego neutrina, bowiem na podstawie trzech znanych zapachów nie można wytłumaczyć oscylacji na tak krótkim dystansie, jak ma to miejsce w przypadku eksperymentu. Czy istnieją szanse na znalezienie przekonujących dowodów. Fizycy są ostrożni, uważają, iż nawet brak określonych wyników nie musi przekreślać szans na istnienie czwartej cząstki, jedynie modyfikując jej własności (ograniczenie zakresu stosunku mas i tzw. kątów mieszania).

Jak widać, zwolennicy wyjścia poza Model Standardowy nie dają za wygraną. Niestety, jak dotąd wszystkie odstępstwa od modelu nie przyniosły niczego konkretnego. Czy sterylne neutrino podzieli losy innych koncepcji? Czy może będzie występować w charakterze nieśmiertelnego Elvisa, który ciągle gdzieś się pojawia i znika, jak chce Francis Halzen, profesor fizyki z Uniwersytetu Wisconsin-Madison i badacz pracujący w IceCube Neutrino Observatory. Jak zwykle, rozstrzygnięcie mogą przynieść jedynie twarde wyniki odpowiednich eksperymentów.