Scientia

Omenirea  studiază Universul de mii de ani, uitându-se la cerul fascinant al nopţilor, ghidată de lumina vizibilă emisă de miliardele de stele şi de alte fenomene cosmice. Un nou domeniu al ştiinţei, astronomia cu neutrini, poate dezvălui fenomene noi, necunoscute.

Introducere

De-a lungul ultimului secol, imagini noi ale cerului au fost descoperite de oamenii de ştiinţă folosind unde electromagnetice cu diferite lungimii de undă, care cu ochiul liber nu pot fi văzute, ca undele radio, lumina infraroşie, razele x şi razele gama. De fiecare dată, ferestre noi au fost deschide spre cer, fenomene noi neaşteptate au fost descoperite, cum ar fi radiaţia cosmică de fond provenită de la Big Bang, stelele neutronice, nuclee galactice active (AGN), găurile negre, exploziile de raze gama (GRB) şi alte obiecte captivante. Astăzi, oamenii de ştiinţă încep să deschidă o fereastră complet nouă folosind o altă particulă elementară, neutrinul, în loc de foton, care este particula elementară a luminii folosită pentru investigarea Universului. Acest nou domeniu, numit  astronomia cu neutrini, sperăm să dezvăluie fenomene noi necunoscute şi să ne ajute să răspundem la câteva întrebări  pe care le avem actualmente.

Neutrinii

Neutrinul este o particulă elementară, care a fost postulată în 1930 de către Wolfgang Pauli, Laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în anul 1945, cu scopul de a rezolva problema energiei în fizica nucleară. Oamenii de ştiinţă aveau dificultăţi în găsirea energiei din dezintegrările radioactive, dar Pauli a sugerat existenţa  unei particule care transporta energia pierdută. A durat însă câţiva ani până ce neutrinul a fost descoperit. Clyde Cowan şi Frederick Reines au fost cei care au detectat şi au identificat pentru prima dată această particulă în anul 1965. Pentru contribuţia lui Reines a fost premiat în 1995 cu Premiul Nobel pentru Fizică.

Neutrinul este o particulă obscură care nu este  încărcată din punct de vedere electric şi care interacţionează cu materia doar prin intermediul forţei nucleare slabe. În ultimii anii au fost descoperiţi neutrini care au o masă mică, demitizând presupunerea anterioară conform căreia neutrinul nu are masă. În Soare sunt produşi un număr uriaş de neutrini în procesul de fuziune nucleară, atunci când 4 atomi de hidrogen se transformă într-un atom de heliu. În ciuda numărului mare de neutrini, în medie, doar aproximativ unul dintre aceştia va interacţiona cu corpul unei persoane de-a lungul vieţii sale. Fluxul de neutrinii de la Soare la suprafaţa Terrei este de 6 * 10¹⁰ neutrini pe centimetru pătrat într-o secundă. Neutrinii din procesul de fuziune nucleară din interiorul  Soarelui pot traversa mai mulţi ani-lumină printr-o bucată de plumb solid înainte de a fi  absorbiţi de materie. Probabilitatea ca un neutrin să interacţioneze cu materia creşte, totuşi, odată cu energia neutrinului.

Au fost observate trei tipuri diferite de neutrini: neutrinul electronic, neutrinul miuonic şi neutrinul tauonic. Aceşti neutrini sunt asociaţi cu trei particule încărcate electric: electronul, miuonul şi particula tau. Toate cele 6 tipuri de particule sunt numite leptoni. Când un neutrin interacţionează cu materia, în urma interacţiunii rămâne neutrin ("neutral current interaction") sau poate da naştere particulei încărcate corespunzătoare ("charge current interaction"). Neutrinul electronului creează un electron, neutrinul miuonic creează un miuon, iar neutrinul tauonic creează o particulă tau.

Un neutrino miuonic interacţionează cu un atom producând un miuon şi o jerbă de particule cu durată scurtă de viaţă.

În timpul interacţiunii neutrinilor de energie înaltă, leptonul încărcat va continua pe aproximativ aceeaşi direcţie ca şi neutrinul care intră în interacţiune. În materie, un electron care  este produs în timpul interacţiunii va fi oprit după câţiva metri, în timp ce un miuon, cu masa sa mai mare, mai continuă câţiva kilometri în funcţie de energia sa. Determinând  direcţia miuonului creat, aflăm direcţia neutrinului miounic, cu o eroare de câteva grade. Aceasta este cheia pentru a înţelege astronomia cu neutrini de energie înaltă.

Neutrinii cu energie joasă şi înaltă

Neutrinii pot fi împărţiţi în 2 categorii: cu energie joasă şi cu energie înaltă. Aceasta, desigur, este o împărţire destul de arbitrară, dar reflectă procesul de producere şi modul în care detectorii sunt construiţi.

Neutrinii cu energie joasă sunt în principal produşi în procesele nucleare, precum reacţiile de fuziune din Soare sau din centrul unei supernove ajunsă la momentul exploziei. Neutrinii cu energie înaltă sunt în principal produşi în coliziunile dintre particulele cu energii înalte producând mezoni de scurtă durată, descompunându-se în neutrini şi alte particule.

Pe o scară a particulelor fizicii, neutrinii cu energie joasă au energii de zeci de MeV, în timp ce neutrinii cu energie înaltă au energii mai sus de zeci de GeV.

Surse de neutrini
Neutrinii  solari

Până acum au fost observate doar 2 surse de neutrini care provin din exteriorul planetei noastre. Amândouă emit neutrini cu energie joasă. Prima sursă este Soarele, de la care Raymond Davis Jr., Laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 2002, a reuşit să detecteze, în medie,  o interacţiune la două zile, interacţiune în care este implicat un neutrin electronic, timp de 20 de ani.

Neutrinii din supernove

A doua sursă de neutrini provenind din spaţiul extraterestru a fost observată timp de 10 secunde în 1987, când o stea din Marele Nor al lui Magellan a explodat sub formă de supernovă, care mai târziu a fost numită SN1987. Neutrinii din interiorul supernovei au ajuns pe Terra după o călătorie de 170000 de ani, cu câteva ore înainte să ajungă lumina. Neutrinii au fost capabili să călătorească mai mult sau mai puţin direct de la nivelul central al părţii interioare a stelei în momentul colapsului acesteia, dar efectul exploziei nu a fost vizibil la suprafaţa stelei până mai târziu. Aproape 25 de interacţiuni de neutrini au fost observate de detectoarele de la Kamiokande (Japonia), Baksan (Uniunea Sovietică) şi IMB (SUA) timp de 10 secunde. Această observare a neutrinilor solari şi provenind de la supernovă a reprezentat  un nou tip de astronomie, deoarece neutrinii ne dezvăluie informaţii despre procese ascunse care au loc în interiorul obiectelor, de nedetectat prin intermediul spectrului vizibil al luminii ori al fotonilor în general.

Nebuloasa Crabului este ceea ce a rămas după o explozie a unei supernove din 1054. În explozia uriaşă, 99% din energie a fost eliberată sub forma unor neutrini invizibili.
Credit: NASA/CXC-SAO

Neutrini de la surse necunoscute sau radiaţii cosmice

Un argument puternic pentru existenţa neutrinilor cu energie înaltă din cosmos este observarea razelor cosmice cu energii înalte.

Particulele nucleare, care au fost propagate în spaţiul cosmic timp de milioane de anii, bombardează continuu atmosfera terestră. Când se lovesc de aceasta, particulele creează o jerbă cu multe particule cu viaţă scurtă. La suprafaţa Pământului observăm rămăşiţele ca o jerbă cu aproximativ 100 de miuoni pe metru pătrat într-o secundă. Detectoarele cu o suprafaţă foarte mare măsoară în prezent intensitatea şi energia razelor cosmice.

Cu toate că razele cosmice au fost descoperite încă din 1912 de către Victor Hess, Laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 1936, noi nu ştim de unde vin acestea. Credem că majoritatea particulelor sunt create prin explozia supernovelor din galaxia locală, dar particulele razelor cosmice care au cea mai mare energie observată se presupune că vin de la surse necunoscute, din afara galaxiei noastre. Razele cosmice cu cele mai înalte energii observate au energii egale cu 50 de Jouli. Procesul de accelerare care să producă particule cu astfel de energii încă nu este cunoscut. Nici sursele capabile să genereze astfel de energii. Energia celei mai puternice particule cosmice este de 10 milioane de ori mai mare decât valoarea care o va putea genera cel mai puternic accelerator de particule din lume, LHC.

Dacă cineva ar construi un accelerator pentru protoni care au aceeaşi energie cu a celor mai puternice raze cosmice, bazat pe magneţii superconductori ai LHC, atunci mărimea acceleratorului ar trebui să fie  mai mare decât traiectoria Pământului în jurul Soarelui. Având în vedere că razele cosmice sunt încărcate electric, ele vor fi deviate de câmpul magnetic în spaţiu. Asta înseamnă că direcţia razelor cosmice nu este îndreptată înapoi către sursă. Pentru a detecta sursa, cineva are nevoie de o particulă neutră din punct de vedere electric, precum neutrinul, care nu este influenţat de către câmpul magnetic. Razele cosmice cu mai mult de 10% din energia maximă observată vor interacţiona cu radiaţia cosmică de fond provenită de la  Big Bang şi nu vor fi capabile să traverseze o distanţă mare în spaţiu. Sursele trebuie să fie “aproape”, nu mai departe de 50 de milioane ani-lumină, care este o distanţă “mică” în Univers. Existenţa acestor raze cosmice cu o energie extrem de mare este un adevărat mister. Când protonul se ciocneşte cu fotonii radiaţiei de fond, sunt creaţi mezonii care, în procesul de dezintegrare vor produce neutrinii de energii înalte. Aceştia sunt numiţi neutrini GZK ( după Greisen, Zatseptin şi Kuzmin) şi  sunt o sursă garantată de neutrini cu energie înaltă provenind din afara Terrei.

Pentru fotoni există o probabilitate mai mare decât pentru protoni de a fi absorbiţi de fotonii radiaţiei de fond, ceea ce indică faptul că Universul nu este transparent pentru fotonii de energie foarte mare.

Galaxia Centaurus A din constelaţia Centaurus

Există câţiva posibili candidaţi de surse de raze cosmice cu energii înalte. Nucleul galactic activ (AGN) este o galaxie care are o gaură neagră masivă în centrul ei. Gaura neagră poate avea o masă mai mare de 1000 de milioane de mase solare. Din centrul acestor galaxii se poate observa o structură ce se întinde pe zeci de mii de ani-lumină în exterior, eliberând o cantitate uriaşă de energie. Se produce un fel de jet atunci când materia din galaxie este absorbită de către gaura neagră. Au fost observaţi fotoni cu energii înalte provenind de la aceste obiecte. O altă posibilă sursă sunt exploziile de raze gama (GRB), care sunt evenimente stranii în cadrul cărora sunt emise impulsuri scurte de raze gama cu durate cuprinse între o fracţiune de secundă şi mai mult de 100 de secunde. Acestea sunt evenimentele cu cea mai mare energie observată din Univers. Aproape 2 astfel de evenimente se întâmplă în fiecare zi. Sunt foarte îndepărtate,  la o distanţă mai mare de 10¹⁰ ani-lumină. Posibile cauze generatoare ale acestor evenimente sunt colapsul gravitaţional al unor stele foarte grele care se transformă astfel în găuri negre ori contopirea a 2 stele neutronice, care “cad” una în alta. Surse necunoscute de raze cosmice cu energii înalte vor produce neutrini când protonii cu energii înalte acceleraţi se ciocnesc cu fotonii gazului din jurul sursei, în acelaşi fel ca şi cu radiaţia cosmică de fond. Coliziunea va produce mezoni, care se descompun în miuoni şi neutrini, iar miuonii se vor descompune în electroni  (pozitroni) şi 2 neutrini. Aceşti neutrini vor călători, neafectaţi de câmpul magnetic din spaţiu şi dacă vor fi detectaţi pe Pământ - ei vor arăta sursele de raze cosmice.

Neutrinii din materia neagră

Neutrinii cu energii înalte, dar nu la fel de înalte cum am menţionat în secţiunea anterioară, ar putea fi produşi în conexiune cu o altă observaţie ciudată. Unul dintre misterele principale din fizică şi astronomie este în prezent “materia neagră” din Univers. Galaxiile şi grupurile de galaxii se rotesc ca şi cum ar conţine mai multă materie decât putem noi observa cu instrumentele noastre astronomice. Doar cu materia vizibilă observată, galaxiile ar trebui să trimită stelele şi materia în afara lor, în spaţiul gol, datorită rotaţiei rapide. Dar aceasta nu se întâmplă, ceea ce ne indică faptul că există mai multă materie în obiecte decât putem noi observa. Această materie este numită “materie neagră”. Aproximativ 30% din energia din Univers există sub formă de materie, iar restul este aşa-numita "energie neagră". Măsurătorile recente  făcute de satelitul WMAP arată că doar 4% din energia din Univers este reprezentată de materia obişnuită formată din atomii care construiesc stelele şi planetele. Restul de 25% este format dintr-un tip de materie necunoscut.

Roiul de galaxii NGC 2300

O explicaţie populară a materiei negre constă  în faptul că o mare parte din acest tip de materie diferită este alcătuită din particule masive care interacţionează slab (WIMPs) care au fost create în timpul Big Bang-ului  în acelaşi timp cu materia obişnuită. Astăzi, aceste particule circulă prin jurul nostru şi construiesc o parte dominantă din materia galaxiei noastre. Când trec prin Soare şi prin Pământ, aceste particule ar putea fi prinse gravitaţional în centrul acestor obiecte. Particulele materiei negre din centrul Pământului şi al Soarelui  se vor distruge sau se vor anihila când 2 dintre ele  se întâlnesc şi produc, împreună cu materia obişnuită, printre alte particule şi neutrinii cu energii înalte. Energia caracteristică  acestor neutrini  este cu mult mai mare decât cea a  neutrinilor electronici produşi prin procesul de fuziune nucleară din Soare. Observând neutrinii cu energii înalte din centrul Soarelui şi/sau al Pământului, am putea obţine informaţii despre materia neagră. În acelaşi timp, asta ar putea fi  o descoperire foarte importantă pentru fizica particulelor.

Neutrinii din atmosferă

Când razele cosmice lovesc atmosfera sunt produse particule cu durată scurtă de viaţă - care se vor descompune, printre altele, în miuoni şi neutrini miuonici. Miuonii sunt împrăştiaţi pe suprafaţa Pământului şi pătrund doar câţiva kilometri în scoarţa terestră. Neutrinii miuonici pot trece însă uşor prin  întregul Pământ, având semnalmentele unor neutrini cosmici. Ei pot fi folosiţi şi pentru testarea telescoapelor cu neutrini.

Va urma

Articol reprezintă traducerea articolului High Energy Neutrinos from the Cosmos, scris de Per Olof Hulth.