 |
|
|
| |
Neutriinol
on siiski mass!
JÜRI
KRUSTOK,
Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur. Füüsika-matemaatikakandidaat.
|
|
| |
Elementaarosakeste
füüsikaga tegelevad teadlased olid seni jagunenud kahte
suurde leeri: ühed, kes arvasid, et neutriinol pole seisumassi
ja teised, kes suuremal või väiksemal määral lubasid neutriinodele
imepisikese massi olemasolu. Imelik küll, aga ka nõnda tähtsusetuna
tunduv vaadete erinevus viib tegelikult globaalsetele erinevustele
maailmapildis. Senini püsiv elementaarosakeste teoreetiline
mudel on püstitatud eeldusel, et neutriinol pole mingit
seisumassi. Ometi puuduvad ka ranged printsiibid, mis keelaksid
neutriinol seisumassi omamast ja seetõttu on loodud juba
ka hulgaliselt alternatiivseid teoreetilisi mudeleid. Selline
vaadete erinevus eksisteeris kuni 1998. aasta 5. juunini,
mil suur rahvusvaheline uurimisgrupp esitas oma viimased
tulemused Jaapanis peetud neutriinokonverentsil. Esmakordselt
suudeti piisava täpsusega tõestada, et neutriinod ostsilleeruvad.
See aga tähendab, et neutriinol peab olema nullist erinev
seisumass! Ja kui nii, siis tuleb seni kehtinud füüsikaline
maailmapilt jälle uuesti üle vaadata.
Veidi ajalugu
Neutriino1 mõiste tõi füüsikasse itaalia füüsik Enrico
Fermi, kuid selle mõistatusliku osakese isaks tuleks
pidada Wolfgang Pauli, kes 1930. aastal nn. beetalagunemise
energiabilansi tasakaalustamiseks oli sunnitud appi võtma
tundmatu neutraalse osakese. Neutriino tegelikku olemasolu
aga polnudki nii lihtne tõestada, sest tänu oma imepärastele
omadustele ei suvatsenud ta endast mingit märki maha jätta.
Liikudes peaaegu valguse kiirusel, võivad neutriinod takistamatult
läbida terve maakera, rääkimata mingist armetust detektorist,
mis teda mõõta püüab. Ometi suutsid USA füüsikud Fred
Reines ja Clyde Cowan 1956. aastal tuumareaktori
vahetus läheduses lõpuks ka neutriinode olemasolu tõestada.
See oli kahtlemata alles algus, sest üsna pea selgus, et
neutriinosid on päris mitut sorti: elektronneutriino, müüneutriino,
tauneutriino. Nendest viimane on tänini veel eksperimentaalselt
avastamata, kuid praktiliselt keegi ei kahtle tema olemasolus.
Igal neutriinol on aga ka veel oma antineutriino.
Neutriinode nõrka vastastikmõju suvalise ainega kompenseerib
nende tohutu arv. Igas sekundis läbib inimest umbes 10 miljardit
miljonit ( see on üks 16 nulliga!) neutriinot ja ometi pole
meil sellest sooja ega külma. Kuid kui ehitada piisavalt
suur detektor ning mõõta piisavalt kaua, siis on tõepoolest
võimalik avastada ka neid harvu juhuseid, kus neutriino
"põrkub" tavalise ainega ning annab iseloomuliku jälje detektoris.
Just selles lootuses ehitati mitmeid neutriinodetektoreid
üle kogu maailma. 1968. aastal avastati esmakordselt, et
Päikeselt jõuab Maale hulga vähem neutriinosid, kui teoreetilised
mudelid seda ennustasid. Edaspidised katsed vaid kinnitasid
avastatud nähtust. Muidugi võis neutriinodefitsiit olla
tingitud ka valest teoreetilisest mudelist, mis Päikesel
toimuvaid protsesse kirjeldas, kuid tõenäolisem oli siiski
neutriinodega seotud põhjus. Nii hakkaski levima teoreetiline
mudel neutriinode ostsilleerimisest, mis lihtsamalt seletatuna
tähendab seda, et neutriino võib oma olekut muuta: olles
mõnda aega elektronneutriino, võib ta muutuda müüneutriinoks
ja vastupidi. Kuna Päikeselt tulnud neutriinosid mõõtvad
detektorid olid tundlikud just elektronneutriinodele, siis
jäidki vaateväljast välja need neutriinod, mis detektorisse
saabumise momendil olid muutunud müüneutriinodeks. Kuid
antud teoorias oli ka üks aga: nimelt võivad niimoodi olekut
muuta vaid nullist erineva seisumassiga osakesed ja seetõttu
pidi oletama, et neutriino mass pole sugugi null.
Neutriinode "kaalumiseks" on aegade jooksul rakendatud mitmeid
kavalaid eksperimente. Ka Eesti teadlastel on õnnestunud
selles küsimuses kaasa rääkida. 1983. aastal püüti neutriino
seisumassi määrata Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis
Tallinnas ioontsüklotronresonantsi meetodi abil. Kuid kõik
need eksperimendid on vaid täpsustanud neutriino seisumassi
ülemist piiri. Seni oli vastamata fundamentaalne küsimus:
kas neutriinode seisumassi alumine piir on nullist erinev?
Super-Kamiokande eksperiment
1996. aasta 1. aprillil hakkas Jaapani linna Kamioka
läheduses paikneva Ikena mäe sisemuses tööle maailma seni
tundlikeim neutriinodetektor. Koosneb see tohutust anumast,
kuhu on mahutatud 50 000 tonni ülipuhast vett. Anuma seintesse
on paigutatud 11 146 fotoelektronkordistit, mis peavad registreerima
lühikesi valgusesähvatusi. Nii nagu ülehelikiirusega liikuv
lennuk tekitab enda ees koonusekujulise lööklaine, nii tekitavad
ka valguse faasikiirusest2 vees kiiremini liikuvad laetud
osakesed koonusekujulise valguslaine, mida kutsutakse Vavilov-Tšerenkovi
kiirguseks. Just seda kiirgust peavadki registreerima anumat
ümbritsevad detektorid. Neutriino, reageerides vees olevate
aatomitega, võib tekitada nii suure energiaga elektrone
kui ka müüone. Vastavate osakeste poolt tekitatud valguse
analüüsist võibki saada andmeid neutriinode eneste kohta.
Vaatamata detektori tohutult suurele mahule registreeritakse
seal keskmiselt vaid 5,5 neutriinot päevas. Et saada statistiliselt
usaldusväärseid tulemusi, pidi neutriinosid detekteerima
väga pikka aega
Rahvusvaheline uurijaterühm, kuhu kuulus umbes 100 teadlast
Jaapanist ning USAst, kogus andmeid peaaegu 2 aastat. Nende
detektor oli häälestatud müüneutriinode püüdmisele, mis
tekivad Maa atmosfääris kosmiliste kiirte mõjul. Osa neist
satuvad detektorisse otse taevast, kuid mõningad neist tulevad
"maa alt", olles enne läbinud terve maakera. Teepikkuste
erinevus annab võimaluse võrrelda müüneutriinode voogude
erinevust. Järeldus oli üpris selge: osa müüneutriinodest
muundub teist tüüpi neutriinodeks ja seega neutriinodel
on nullist erinev seisumass! Olgugi, et selle 100 miljonit
dollarit maksma läinud eksperimendi käigus ei mõõdetud otseselt
neutriino massi, tõestas ta ometi selle massi olemasolu.
Mis saab edasi? Neutriino mass ei tulnud loomulikult tühjale
kohale ja mitte ka väga ootamatult. Mitmed eksperimendid
olid juba ammu andnud vihjeid massiga neutriinost ning ka
teoreetikud olid mingil määral neid tabanud vapustuseks
valmis. Ometi tuleb nüüd uuesti kirjutada kogu elementaarosakeste
füüsika. Teine valdkond, kuhu massiga neutriino otsekohe
oma jälje jätab, on astrofüüsika.Võib arvata, et vähemalt
osaliselt on neutriinod vastutavad Universumi varjatud massi
osas. Seega on tõestamist leidnud veel üks igivana hüpotees.
Milliseid tagajärgi neutriino mass aga tulevikus veel esile
toob, on vist isegi vara öelda. Kuid vähemalt üks on selge
- füüsika on astunud järjekordse gigantse sammu meie füüsikalise
maailmapildi lõpliku mõistmise poole.
Neutriino ajalugu
1930 - Wolfgang Pauli toob beetalagunemise seletamiseks
sisse neutraalse osakese, mis hiljem saab nimeks neutriino.
1956 - Fred Reines ja Clyde Cowan avastavad neutriinod
tuumareaktori läheduses. (Hiljem saab Reines selle ja ka
muude tööde eest Nobeli preemia.) 1957- Goldhaber,
Grodzins ja Sunyar avastavad neutriinode "vasakukäelisuse".
1957-1962 Teoreetikud arutlevad neutriinode ostsilleerimise
üle.
1961- Avastatakse müüneutriinod ning näidatakse,
et nad erinevad elektronneutriinodest.
1964 -John Bahcall ja Ray Davis pakuvad välja võimaluse,
kuidas mõõta Päikeselt tulevaid neutriinosid.
1965- Reines ja tema kolleegid avastavad Lõuna-Aafrika
kullakaevandusse paigutatud detektoriga esimesed "looduslikud"
neutriinod.
1968- Ray Davis koos kaastöötajatega alustab esimest
Päikeselt tulnud neutriinode mõõtmist, mis hiljem viib tuntud
neutriino defitsiidi avastamisele.
1976 - Martin Perl avastab teoreetiliselt tauneutriino.
1976 - Konstrueeritakse uut tüüpi neutriinodetektor.
1985 - Avastatakse atmosfäärist pärit müüneutriinode
defitsiit.
1986- Kamioka detektoril Jaapanis mõõdetakse esmakordselt
päikeseneutriinode defitsiit.
1987- Kamioka ja IMB detektoritel avastatakse neutriinovood
supernoovalt 1987A, algab neutriinoastronoomia.
1996 - Avatakse Super-Kamiokande detektor Jaapanis.
1998 - Pärast peaaegu 2 aastat kestnud andmete kogumist
teatab Super-Kamiokande rahvusvaheline töörühm 5. juunil
müüneutriinode ostsilleerimise avastamisest, mis tõestab,
et neutriinodel on nullist erinev seisumass.
____________________________
1Neutriinodest võite lugeda "Horisondist" nr. 3 1998.
2Valguse faasikiirus vees on veidi väiksem kui tema kiirus
vaakumis, millest, nagu teada, ei saa kiiremini liikuda
ükski osake. Seetõttu ongi võimalik, et suure energiaga
laetud osakesed liiguvad vees mõnikord kiiremini, kui valgus
seda suudab ja kiirgavad veel samal ajal ka ise valgust.
tagasi esilehele ...
|
|
|