 |
| SuperKamiokande hiukkasilmaisin. Kuva: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo. |
Neutriinot ovat salaperäisiä hiukkasia, joita
hiukkasfyysikot ovat tutkineet jo muutaman vuosikymmenen ajan. Hiukkaset ovat
lähes massattomia, ne etenevät lähes valonnopeudella ja vuorovaikuttavat [1] tavallisen
aineen kanssa hyvin heikosti. Vuorovaikutuksen heikkoudesta johtuen,
neutriinojen havaitseminen ei ole aivan helppoa.
Tavallisimmin neutriinoja havaitaan valtavissa
puhdasvesisäiliöissä, joissa silloin tällöin voidaan havaita neutriinon törmäys
atomiytimeen. Törmäyksen seurauksena syntyy suurenergisiä elektroneja ja myoneja[2].
Niiden etenemisnopeus vedessä ylittää valonnopeuden ja sen seurauksena syntyy lyhyt
pulssi Cerenkovin[3] säteilyä.
Yksi tunnetuimmista neutriinoilmaisimista on japanilainen
SuperKamiokande, jossa on 50 000 tonnia erittäin puhdasta vettä. Ilmaisin
on rakennettu noin 300 km etäisyyteen Tokiosta Hidan kaupungkiin noin 1000
metrin syvyydessä olevaan kaivokseen[4]. Säiliön seinille on asennettu yli
satatuhatta valoilmaisinta, joiden havaitsemat vesitilassa syntyneet
välähdykset lasketaan. Osa välähdyksistä on neutriinojen aikaansaamia.
Neutriinoja on maailmankaikkeudessa paljon. Silti
aurinkokuntamme voimakkain neutriinolähde on Aurinko, jonka ytimestä tulee
hyvin tasainen neutriino vuo. Neutriinovuo ei kuitenkaan ole niin voimakas kuin
mitä teoria ja laskelmat ennustavat. Näyttäisi siltä, että noin puolet [5] neutroneista puuttuisi.
Salaperäisyyden verhoa kuitenkin onnistuttiin hieman
raottamaan siinä vaiheessa, kun tutkijat löysivät neutriinojen ”maut”.
Neutriinoja on kolme eri tyyppiä: elektronin, taun ja myonin neutriinot. Näistä
elektronin neutriinoja voidaan havaita SuperKamiokande-tyyppisellä
ilmaisimella, muiden makujen jäädessä havaitsematta.
Auringon puuttuvan neutriinovuon arvoitus oli neutriinojen
muuntuminen (oskillaatio) mausta toiseen. Lähes kaikki neutriinot syntyvät elektronin
neutriinoina, mutta matkallaan Auringosta pois, ne muuttuvat toisen makuiseksi.
Havaintojen mukaan alle 2 MeV energisistä neutriinoista puolet ja tätä suurempi
energisistä neutriinoista vielä suurempi osuus muuttaa makuaan ennen maapallon
saavuttamista. Muutos on mahdollinen,
jos neutriinoilla on vähäinen massa.
Tutkijat ovat analysoineen SupeKamiokanden tuottamaa dataa
jo 18 vuoden ajalta. Se osoittaa, että neutriino määrä näyttäisi kohoavan noin
3,2 % yöaikana, kun sitä verrataan päiväaikana saavutettuun määrään nähden. Tulos
on mielenkiintoinen, vaikkakaan ei tilastollisesti merkitsevä. Jotta se
voitaisiin hyväksyä todelliseksi ilmiöksi, havaintojärjestelmän tarkkuus
pitäisi olla karkeasti ottaen kaksinkertainen.
Neutriinojen maun muuttuminen tunnetaan tutkijoittensa
mukaan Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein (MSW) ilmiönä. Se selittää myös
neutriinojen edelleen muuttumisen maapallon läpäisyn aikana. Maapallon
rautapitoisessa ytimessä on sen verran tiheästi elektroneja, että niiden ja
neutriinojen välinen vuorovaikutus muuttaa osan taun ja myonin neutriinoista takaisin
elektronin neutriinoiksi. Tämä selittää SuperKamikanden havaitseman
neutriinomäärän vähäisen kasvun.
Jotta ilmiö voitaisiin varmasti todeta, sen havaitsemiseen
tarvitaan herkempi ja isompi neutriinoilmaisin. Tällä hetkellä tutkijayhteisön
suunnitelmissa onkin rakentaa HyperKamiokande, josta on tulossa 25 kertaa
suurempi ilmaisin kuin edeltäjänsä.
Huomautukset
[1] Hiukkasfysiikassa vuorovaikutuksella ymmärretään joko
heikkoa tai vahvaa vuorovaikutusta (muut ovat sähkövoima ja graviaatio). Vahva vuorovaikutus toimii kvarkkien
välillä protonien ja neutronien sekä atomiytimien koossa pitävänä voimana. Heikko
vuorovaikutus ilmenee erillisten hiukkasten välisenä vaikutuksena esimerkiksi
hiukkasen muuttuessa toiseksi. Heikko vuorovaikutus välittyy
välittäjähiukkasten, bosonien, kuljettamana.
[2] Myonit ovat elektroninkaltaisia sähkövarauksen omaavia,
mutta elektronia massiivisempia hiukkasia. Hiukkanen ei kuitenkaan ole stabiili
vaan hajoaa noin 2,2 mikrosekunnissa elektroniksi, myonin neutriinoksi ja
elektronin antineutriinoksi.
[3] Cerenkovin säteilyä havaitaan mm. ydinvoimaloissa jäähdytysvesialtaissa
näkyvänä sinisenä hohteena. Vedessä valonnopeus on vain noin 0,75 × valonnopeus
tyhjiössä (c). Suurin osa Cerenkovin säteilystä vedessä syntyy uv-säteilyn aallonpituudella.
[4] Sijoituspaikkana kaivos poistaa mitatusta datasta
esimerkiksi kosmisen hiukkassäteilyn aikaansaaman kohinan, joka muutoin voisi
peittää alleen todellisen neutriinovuon aikaansaaman signaalin. Neutriinovuohon
1 km paksuisella kalliolla ei ole vaikutusta.
[5] Kanadassa Sudbury Neutrino Observatory (SNO) tehdyissä
kokeissa pystyttiin vuonna 2002 ja 2004 osoittamaan, että 2/3 Auringon
neutriinoista vaihtaa makuaan ennen maapallolle saapumistaan. SNO käyttää
raskasta vettä ja vuoden 2004 kokeessa sen lisäksi ruokasuolaa.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti