Mengapa Pakar Fizikal Memburu Strangest zarah Hantu


Setiap detik kedua setiap hari, anda dibombardir oleh trilion atas trilion zarah subatomik, mandi dari kedalaman ruang. Mereka meletupkan anda dengan kekuatan badai kosmik, meletup dalam hampir kelajuan cahaya. Mereka datang dari seluruh langit, sepanjang masa siang dan malam. Mereka menembusi medan magnet Bumi dan suasana perlindungan kami seperti mentega yang begitu banyak.

Walau bagaimanapun, rambut di bahagian atas kepalanya tidak terjejas.

Apa yang sedang berlaku?

Peluru kecil ini dipanggil neutrinos, istilah yang dicipta pada tahun 1934 oleh ahli fizik cemerlang Enrico Fermi. Perkataan ini samar-samar adalah bahasa Itali untuk "satu neutral yang sedikit," dan kewujudannya dihipotesiskan untuk menjelaskan reaksi nuklear yang sangat ingin tahu. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Kadang-kadang elemen merasa sedikit … tidak stabil. Dan sekiranya mereka dibiarkan bersendirian terlalu lama, mereka akan hancur dan mengubah diri menjadi sesuatu yang lain, sesuatu yang sedikit lebih ringan pada jadual berkala. Di samping itu, sedikit elektron akan muncul. Tetapi pada tahun 1920-an, pemerhatian yang teliti dan terperinci tentang pereputan itu didapati kecil, mencetuskan kekeliruan. Jumlah tenaga pada permulaan proses itu sedikit lebih besar daripada tenaga yang keluar. Matematik tidak menambah. Ganjil.

Oleh itu, beberapa ahli fizik mengarang zarah baru dari keseluruhan kain. Sesuatu untuk menanggung tenaga yang hilang. Sesuatu yang kecil, sesuatu yang ringan, sesuatu yang tidak bertanggungjawab. Sesuatu yang boleh menyelinap melalui pengesan mereka tanpa disedari.

Sedikit, neutral. Neutrino.

Ia mengambil masa beberapa dekad lagi untuk mengesahkan kewujudan mereka – itulah bagaimana licin dan ketara dan licik mereka. Tetapi pada tahun 1956, neutrinos menyertai keluarga yang semakin berkembang yang dikenali, diukur, zarah yang disahkan.

Dan kemudian keadaan menjadi pelik.

Kesulitan itu bermula dengan penemuan muon, yang secara kebetulan berlaku pada masa yang sama bahawa idea neutrino mula mendapat tanah: tahun 1930-an. Muon hampir sama persis dengan elektron. Caj yang sama. Putaran sama. Tetapi ia berbeza dengan satu cara yang penting: Lebih berat, lebih 200 kali lebih besar daripada adiknya, elektron.

Muon mengambil bahagian dalam jenis reaksi mereka sendiri, tetapi tidak cenderung bertahan lama. Kerana pukal mereka mengagumkan, mereka sangat tidak stabil dan cepat mereput ke dalam pancuran dengan bit yang lebih kecil ("cepat" di sini bermakna dalam satu mikrosekond atau dua).

Itu semua baik dan baik, jadi kenapa muons memikirkan cerita neutrino?

Fizik melihat bahawa tindak balas kerosakan yang mencadangkan kewujudan neutrino sentiasa mempunyai elektron yang keluar, dan tidak pernah menjadi muon. Dalam tindak balas lain, muons akan muncul, dan bukan elektron. Untuk menjelaskan penemuan ini, mereka berpendapat bahawa neutrinos sentiasa dipadankan dengan elektron dalam tindak balas ini (dan bukan jenis neutrino lain), manakala elektron, muon mesti dipasangkan dengan jenis neutrino yang belum ditemui. neutrino mesra elektron tidak akan dapat menjelaskan pemerhatian dari peristiwa muon. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Dan sebagainya memburu terus. Dan pada. Dan pada. Tidak sampai tahun 1962 ahli fizik akhirnya mendapat kunci pada neutrino jenis kedua. Ia pada mulanya dikenali sebagai "neutretto," tetapi lebih banyak kepala rasional menguasai skema memanggilnya muon-neutrino, kerana ia selalu berpasangan dengan reaksi dengan muon.

Baiklah, jadi dua neutrinos yang disahkan. Adakah alam semulajadi lebih banyak untuk kita? Pada tahun 1975, para penyelidik di Stanford Linear Accelerator Center berani menyaring melalui gunung-gunung data yang membosankan untuk mendedahkan kewujudan adik perempuan yang lebih berat kepada elektron lincah dan muon yang kuat: hulking tau, yang mencatat masa 3,500 kali jisim elektron . Itulah zarah besar!

Begitu persoalannya menjadi: Jika ada keluarga tiga zarah, elektron, muon dan tau … boleh ada neutrino ketiga, untuk berpasangan dengan makhluk yang baru ini?

Mungkin, mungkin tidak. Mungkin hanya terdapat dua neutrino. Mungkin ada empat. Mungkin 17. Alam tidak pernah memenuhi jangkaan kami sebelum ini, jadi tiada sebab untuk bermula sekarang.

Melangkaui banyak butiran yang mengerikan, selama beberapa dekad, para ahli fizik meyakinkan diri mereka menggunakan pelbagai eksperimen dan pemerhatian bahawa neutrino ketiga sepatutnya wujud. Tetapi tidak sampai ke tepi milenium, pada tahun 2000, bahawa eksperimen yang direka khas di Fermilab (dipanggil humorously percubaan DONUT, untuk Pemerhatian Langsung NU Tau, dan tidak, saya tidak membuat itu) akhirnya mendapat pengawal pengesahan yang cukup untuk mendakwa pengesanan yang betul.

Jadi, mengapa kita begitu peduli terhadap neutrino? Mengapa kita telah mengejar mereka selama lebih dari 70 tahun, dari sebelum Perang Dunia ke era moden? Kenapa generasi saintis sangat terpesona oleh orang-orang kecil yang berkecuali ini?

Sebabnya ialah neutrino terus hidup di luar jangkaan kami. Untuk masa yang lama, kami tidak pasti mereka wujud. Untuk masa yang lama, kami yakin mereka tidak beramai-ramai, sehingga eksperimen menjengkelkan mendapati bahawa mereka mesti mempunyai massa. Tepat "berapa banyak" menjadi masalah moden. Dan neutrino mempunyai kebiasaan mengganggu watak semasa mereka bergerak. Benar, sebagai perjalanan neutrino dalam penerbangan, ia boleh menukar topeng di antara tiga perisa.

Mungkin terdapat juga neutrino tambahan di luar sana yang tidak mengambil bahagian dalam apa-apa interaksi yang biasa – sesuatu yang dikenali sebagai neutrino steril, yang ahli fizik diburu dengan susah payah.

Dengan kata lain, neutrinos terus mencabar segala yang kita tahu tentang fizik. Dan jika ada satu perkara yang kita perlukan, baik pada masa lalu dan masa depan, ia adalah satu cabaran yang baik.

Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya seorang Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.

Originally diterbitkan pada Sains Hidup.