Scientia

Un mare mister al fizicii subatomice moderne se referă la relaţia neutrinilor cu antimateria: sunt neutrinii şi antineutrinii una şi aceeaşi particulă (cum este cazul fotonilor, de exemplu) sau sunt particule cu proprietăţi diferite, cum e cazul electronilor şi pozitronilor?

Pentru prima dată, s-a observat experimental o diferenţă între neutrini şi antineutrini, oferind un prim indiciu spre rezolvarea misterului naturii antineutrinilor.

Ce sunt neutrinii?

În cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare, neutrinii fac parte din familia leptonilor, împreună cu electronii, miuonii şi tauonii. Există 3 tipuri de neutrino cunoscuţi la ora actuală – neutrino electronic, neutrino miuonic şi neutrino tauonic.

Tabloul particulelor elementare
Neutrino - particula fantomă
Modelul standard

Din multe puncte de vedere, neutrinii sunt cele mai misterioase particule din cadrul modelului standard – iar studiul lor ar putea conduce (de fapt este ceea ce se întâmplă) la o criză profundă a modelului standard care ar necesita formularea unei noi teorii.

Multă vreme s-a crezut că neutrinii nu au masă; relativ recent (1998, cu detectorul Super-Kamiokande) a fost observată aşa-zisa oscilaţie a neutrinilor (adică transformarea dintr-un neutrino de un anumit tip într-un neutrino de alt tip, comportament care poate exista doar în cazul în care neutrinii au masă, diferită în funcţie de tipul de neutrino - diferenţa fiind cea la originea oscilaţiei). La ora actuală, masele neutrinilor nu sunt cunoscute – se cunosc doar limite ale valorilor acestor mase.

Neutrino tauonic, concepţie artist
credit: kadayvii.deviantart.com

Ce sunt antineutrinii?

Cum bine ştim, pe lângă particule, în cadrul Modelului Standard există şi antiparticule. Aproape fiecărei particule îi corespunde o antiparticulă. Neutrinilor le corespund antineutrinii (la rândul lor de trei tipuri: electronic, miuonic şi tauonic) într-o versiune a teoriei, iar neutrinii şi antineutrinii sunt una şi aceeaşi particulă într-o altă versiune a teoriei. Scopul experimentelor este să decidă care din aceste teorii este cea corectă. Acest scop este cu atât mai important cu cât pe timpul exploziei originare Big Bang au fost create cantităţi egale de materie şi antimaterie, dar ceva s-a întâmplat şi a determinat dispariţia antimateriei, iar Universul nostru s-a format doar din materie. Se crede că antineutrinii ar putea oferi indicii pentru rezolvarea acestui mister.

Însă ambele teorii sugerează că neutrinii şi antineutrinii ar trebui să aibă aceeaşi masă, tot aşa cum un electron şi un pozitron au aceeaşi masă, dar sarcina electrică de semn schimbat. Astfel, tot ceea ce ştim la ora actuală ar duce la concluzia că diferenţa de masă la pătrat între antineutrini ar trebui să fie egală (sau foarte apropiată) cu cea a neutrinilor.

La  data de 14 iunie 2010, în cadrul Conferinţei Neutrino 2010 de la Atena (Grecia), oamenii de ştiinţă din cadrul colaborării MINOS (o colaborare între 140 de oameni de ştiinţă din 30 de instituţii din 5 ţări) de la Fermilab au anunţat un rezultat surprinzător: masa la pătrat a neutrinilor este cu circa 40% mai mică decât cea a antineutrinilor. Cercetătorii nu vor putea recunoaşte însă descoperirea până când şansa de a se înşela nu devine mai mică de o parte la un milion. Motiv pentru care colaborarea MINOS va continua achiziţia de date pentru a îmbunătăţi precizia.


Experimentul care a arătat diferenţa: MINOS din SUA

MINOS este un experiment care foloseşte două detectoare de particule: unul situat la laboratorul de la Fermilab, lângă Chicago, SUA, unde cu ajutorul unui fascicul de protoni se generează un fascicul intens de neutrini sau antineutrini miuonici  şi altul într-o fostă mină din Minnesota, SUA, la circa 735 de kilometri distanţă de Fermilab şi 716 metri adâncime. Parcurgând pe sub pământ (şi chiar prin pământ, neavând nevoie de o ţeavă cu vid prin care să se deplaseze) distanţa între cele două detectoare, neutrinii (sau antineutrinii) pot oscila, cu proprietăţi ale oscilaţiei definite de diferenţa de masă la pătrat între neutrini (sau antineutrini).

Oscilaţia acestora, adică faptul că neutrinii şi antineutrinii miuonici se pot transforma în alte tipuri de neutrini  sau antineutrini (electronic sau tau) face ca numărul de neutrini detectat la 735 km să fie mai mic decât cel aşteptat. O mică fracţiune este detectată ulterior de MINOS (numărul mic de neutrini/antineutrini detectaţi este cauzat de faptul că neutrinii interacţionează foarte slab cu materia, noi înşine fiind străbătuţi de miliarde şi miliarde de neutrini, în mare parte provenind din Soare, fără să suferim nici cea mai mică daună).

Una dintre caracteristicile fundamentale ale detectorului MINOS este prezenţa unui câmp magnetic care permite separarea particulelor în funcţie de sarcina electrică, ceea ce ajută la definirea particulei care a interacţionat: neutrino (generează miuoni, cu sarcină negativă) sau antineutrino (generează antimiuoni, cu sarcină pozitivă).

Concluzii

Din diferenţa numărului de neutrino sau antineutrino miuonici în cei doi detectori a fost determinată diferenţa de masă la pătrat care ar putea explica oscilaţia acestora. În felul acesta s-a ajuns la concluzia deja amintită – şi anume faptul că diferenţa de masă a neutrinilor este mai mică, cu cca 40%, decât a antineutrinilor.

Acest rezultat, dacă va fi confirmat, nu poate fi explicat în Modelul Standard, în cadrul căruia ar fi posibilă o mică diferenţă de masă – însă atât de mică încât nu ar fi posibil să fie măsurată de MINOS.

Ţinând cont de importanţa acestui rezultat, este absolut necesară continuarea experimentului, în paralel cu alte experimente de acest gen în lume, pentru a avea o eventuală confirmare, ce ar putea avea implicaţii profunde şi în explicarea misterului dispariţiei antimateriei în Univers.

Articol scris de  Cătălina Oana Curceanu şi Adrian Buzatu, doctorand în fizica particulelor elementare la Universitatea McGill, Montreal.