Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Takaaki Kajita jest japońskim fizykiem, od kilkudziesięciu lat pracownickiem naukowym Instytu Badań Promieniowania Kosmicznego (Institute for Cosmic Ray Research; ICRR) na Uniwersytecie Tokijskim. Obecnie piastuje funkcję dyrektora ICRR. Arthur B. McDonald to kanadyjski fizyk, specjalista w dziedzinie fizyki jądrowej. Od kilkudziesięciu lat związany jest z kanadyjskim Queen's University w Kingston, gdzie piastuje funkcję kierownika katedry oraz dyrektora podziemnego detektora neutrin Sudbury Neutrino Observatory. Naukowcy otrzymali to prestiżowe wyróżnienie za odkrycie oscylacji neutrin, co dowodzi, że mają one masę.

Neutrina to nieposiadające ładunku elektrycznego cząstki elementarne, należące do rodziny tzw. leptonów. Ich istnienie zostało przewidziane przez Wolfganga Pauliego już w 1930 roku. Jednak ze względu na fakt, że słabo oddziałują z materią. Na doświadczalne potwierdzenie ich istnienia trzeba było czekać do 1956 roku. Problem z ich detekcją polega na tym, że neutrina oddziałują z materią jedynie za pomocą tzw. oddziaływań słabych. W konsekwencji mają tak dużą zdolność przenikania, że nawet obiekty wielkości gwiazd nie stanowią dla nich prawie żadnej przeszkody. Są przy tym bardzo liczne, np. na Ziemi w każdej sekundzie przez 1 cm2 powierzchni przechodzi ok. 100 miliardów neutrin produkowanych na Słońcu. W celu detekcji neutrin wykorzystuje się ich niezwykle rzadkie oddziaływania z materią, a cząstki wtedy powstające obserwuje się w olbrzymich detektorach wypełnionych np. ultraczystą wodą, o masie liczonej w setkach a nawet tysiącach ton, umieszczonych głęboko pod ziemią – we wnętrzach gór albo w kopalniach – aby rzadkie przypadki oddziaływania neutrin z materiałem detektora nie były zakłócane przez częste na powierzchni Ziemi oddziaływanie cząstek promieniowania kosmicznego.

Wynikiem wielomiesięcznej pracy detektorów jest zaledwie kilka, kilkadziesiąt lub w najlepszym przypadku kilkaset zaobserwowanych w tym czasie oddziaływań neutrin. Nawet ta niewielka liczba pozwoliła jednak na dokonanie niezwykle istotnego odkrycia tzw. oscylacji neutrin, czyli zmiany jednego rodzaju neutrina w inny, np. neutrina elektronowego w neutrino mionowe/taonowe na drodze z wnętrza Słońca do detektora. Badając neutrina na Ziemi, możemy poznawać procesy zachodzące głęboko we wnętrzu gwiazd, których badanie nie było dotychczas możliwe przy użyciu fotonów – nośników informacji w tradycyjnej astronomii. Oprócz neutrin ze źródeł naturalnych, możemy badać także neutrina powstające w reaktorach elektrowni atomowych oraz neutrina z tzw. wiązek neutrin, które są produkowane przy pomocy akceleratorów przyśpieszających cząstki naładowane do wysokich energii.

Model standardowy wprowadza 12 cząstek, z których zbudowana jest materia i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami, tzw. cząstek pośredniczących. Wszystkie cząstki fundamentalne mają tę cechę, że są tak małe, że trudno określić, czy mają jakiś rozmiar. Cząstki materii mają masę, ale nie same w sobie, tylko dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa. To oddziaływanie nadaje cząstce masę. Po co cząstkom elementarnym masa? Gdyby cząstki elementarne nie miały masy, to mogłyby sie poruszać z prędkością światła. Wszystkie te, które mają masę, mogą się poruszać wolniej albo w ogóle się nie poruszać. Gdyby cząstki elementarne nie miały masy, to nie budowałyby atomów, nie istniałaby zatem w ogóle materia i cały wszechświat składałby się z czystej energii w różnej postaci.

Ponieważ neutrina nie mają ładunku elektrycznego i są niezwykle przenikliwe, bardzo trudno je wykryć. Konieczne są skomplikowane urządzenia, na przykład takie, jak japoński detektor Super-Kamiokande znajdujący się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii, który waży 50 tys. ton. Właśnie dzięki temu detektorowi naukowcy zauważyli, że ze Słońca nie dolatuje do Ziemi tyle neutrin, ile wynikałoby z teoretycznych założeń – brakuje aż dwóch trzecich. Zjawisko udało się wyjaśnić dopiero na przełomie tysiącleci. Najpierw w 1998 roku Takaaki Kajita wykazał, że powstające w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego neutrina zmieniają „tożsamość” zanim trafią do Super-Kamiokande. Było to tzw. zjawisko oscylacji. Zespół badawczy z Kanady kierowany przez Arthura B. McDonalda, pracujący w kanadyjskim Sudbury Neutrino Observatory wykazał natomaist, że neutrina (a dokłądniej neutrina elektronowe) powstające na Słońcu nie zanikają w drodze na Ziemię. Także i one zmieniają tożsamość. 

Odkrycie zjawiska oscylacji neutrin dowiodło, że cząstki te – przez dziesięciolecia uważane za bezmasowe – jednak mają masę. Oznacza to, że Model Standardowy wyjaśniający wzajemne oddziaływania cząstek tworzących Wszechświat, trzeba zmodyfikować.