Kami terbenam di neutrino. Mereka adalah antara yang paling ringan dari kedua-dua zarah subatom yang diketahui dan sedar dan mereka datang dari segala arah: dari Big Bang yang memulakan alam semesta, dari bintang yang meletus dan, paling penting, dari matahari. Mereka datang melalui bumi dengan hampir kelajuan cahaya, sepanjang masa, siang dan malam, dalam jumlah besar. Sekitar 100 trilion neutrinos melalui badan kita setiap saat.
Kandungan Terkait
- Membuka Portal Strange dalam Fizik
Masalah fizik adalah bahawa neutrino tidak dapat dilihat dan sukar untuk dikesan. Mana-mana instrumen yang direka untuk berbuat demikian boleh merasa sengit kepada sentuhan, tetapi untuk neutrino, walaupun keluli tahan karat kebanyakannya ruang kosong, kerana lebarnya terbuka sebagai sistem solar adalah untuk komet. Apa lagi, neutrinos, tidak seperti kebanyakan zarah subatomik, tidak mempunyai caj elektrik-mereka neutral, oleh itu nama-saintis itu tidak boleh menggunakan kuasa elektrik atau magnet untuk menangkapnya. Fizik memanggil mereka "zarah hantu."
Untuk menangkap entiti yang sukar difahami ini, ahli fizik telah menjalankan beberapa percubaan luar biasa yang bercita-cita tinggi. Supaya neutrinos tidak dikelirukan dengan sinar kosmik (zarah subatomik dari luar angkasa yang tidak menembusi bumi), pengesan dipasang di bawah tanah. Yang besar telah diletakkan di dalam lombong emas dan nikel, di dalam terowong di bawah pergunungan, di lautan dan di ais Antartika. Peranti-perayaan yang indah ini adalah monumen ke arah manusia untuk mempelajari tentang alam semesta.
Tidak jelas apa aplikasi praktikal akan datang daripada mengkaji neutrinos. "Kami tidak tahu di mana ia akan memimpin, " kata Boris Kayser, ahli fizik teori di Fermilab di Batavia, Illinois.
Fizik belajar neutrinos sebahagiannya kerana neutrinos adalah watak-watak ganjil: mereka seolah-olah melanggar peraturan yang menggambarkan alam semula jadi yang paling asas. Dan jika ahli fizik sentiasa memenuhi harapan mereka untuk membangunkan teori realiti yang jelas yang menerangkan asas-asas alam semula jadi tanpa pengecualian, mereka perlu mengambil kira tingkah laku neutrino.
Di samping itu, saintis neutrino ahli sains kerana zarah-zarah itu adalah utusan dari kawasan luar alam semesta, yang dicipta oleh galaksi yang meletup dan fenomena misteri yang ganas. "Neutrino mungkin dapat memberitahu kita bahawa zarah humdrum lebih banyak tidak boleh, " kata Kayser.
Pakar fizik membayangkan neutrino lama sebelum mereka pernah menemui apa-apa. Pada tahun 1930, mereka mewujudkan konsep untuk mengimbangi persamaan yang tidak ditambah. Apabila nukleus atom radioaktif hancur, tenaga zarah yang dipancarkannya mesti sama dengan tenaga yang asalnya terkandung. Tetapi pada hakikatnya, para saintis mengamati, nukleus kehilangan lebih banyak tenaga daripada pengesan yang mengambil. Oleh itu, untuk mengambil kira tenaga tambahan itu, ahli fizik Wolfgang Pauli mengamalkan zarah tambahan yang tidak dapat dilihat oleh nukleus. "Saya telah melakukan sesuatu yang sangat buruk hari ini dengan mencadangkan satu zarah yang tidak dapat dikesan, " tulis Pauli dalam jurnalnya. "Ia bukan sesuatu teori yang perlu dilakukan."
Experimentalists mula mencarinya pula. Di makmal senjata nuklear di South Carolina pada pertengahan tahun 1950-an, mereka menempatkan dua tangki air besar di luar reaktor nuklear yang, menurut persamaan mereka, sepatutnya membuat sepuluh trillion neutrinos satu saat. Pengesannya adalah kecil dengan piawaian hari ini, tetapi ia masih dapat mengesan neutrino-tiga jam. Para saintis telah menegaskan bahawa neutrino yang dicadangkan itu sebenarnya nyata; kajian zarah sukar difahami.
Sepuluh dekad kemudian, bidang itu meningkat apabila kumpulan ahli fizik lain memasang pengesan di lombong emas Homestake, di Lead, South Dakota, 4, 850 kaki di bawah tanah. Dalam eksperimen ini para saintis meneliti neutrinos dengan memantau apa yang berlaku pada masa yang jarang berlaku apabila neutrino bertembung dengan atom klorin dan menghasilkan argon radioaktif, yang mudah dikesan. Di teras eksperimen adalah tangki yang dipenuhi dengan 600 ton cecair yang kaya klorin, perchlorethylene, cecair yang digunakan dalam pembersihan kering. Setiap beberapa bulan, saintis akan mengepam tangki dan mengeluarkan kira-kira 15 atom argon, bukti 15 neutrino. Pemantauan berterusan selama lebih dari 30 tahun.
Berharap untuk mengesan neutrinos dalam jumlah yang lebih besar, saintis di Jepun mengetuai eksperimen 3, 300 kaki bawah tanah di lombong zink. Super-Kamiokande, atau Super-K seperti yang diketahui, mula beroperasi pada tahun 1996. Pengesan terdiri daripada 50, 000 tan air dalam tangki kubah yang dindingnya ditutup dengan 13, 000 sensor cahaya. Sensor mengesan flash biru kadang-kadang (terlalu lemah untuk melihat mata kita) yang dibuat apabila neutrino bertembung dengan atom di dalam air dan menghasilkan elektron. Dan dengan menelusuri jalan yang tepat, elektron mengembara di dalam air, ahli fizik dapat menyimpulkan sumbernya, dalam ruang angkasa, neutrino bertabrakan. Kebanyakan, mereka dapati, datang dari matahari. Ukurannya cukup sensitif bahawa Super-K dapat mengesan jalan matahari di seluruh langit dan, dari hampir satu batu di bawah permukaan bumi, menonton hari berubah menjadi malam. "Ia benar-benar perkara yang menarik, " kata Janet Conrad, ahli fizik di Massachusetts Institute of Technology. Trek zarah dapat dikumpulkan untuk membuat "imej yang indah, gambar matahari di neutrinos."
Tetapi percubaan Homestake dan Super-K tidak mengesan seberapa banyak neutrino sebagai fizik yang diharapkan. Penyelidikan di Balai Cerap Sudbury Neutrino (SNO, disebut "salji") menentukan mengapa. Dipasang di lombong nikel 6, 800 kaki di Ontario, SNO mengandungi 1, 100 tan "air berat, " yang mempunyai bentuk hidrogen yang tidak biasa yang bertindak balas dengan neutrino dengan mudah. Bendalir itu berada di dalam tangki yang digantung di dalam sebuah bola akrilik besar yang tersimpan di dalam struktur suprastruktur geodetik, yang menyerap getaran dan di atasnya tergantung 9, 456 sensor cahaya - semuanya kelihatan seperti hiasan pokok Krismas yang tinggi 30 kaki.
Para saintis yang bekerja di SNO mendapati pada tahun 2001 bahawa seorang neutrino secara spontan boleh menukar antara tiga identiti yang berbeza-atau sebagai ahli fizik berkata, ia berayun di antara tiga perisa. Penemuan ini mempunyai implikasi yang mengejutkan. Untuk satu perkara, ia menunjukkan bahawa eksperimen terdahulu telah mengesan neutrinos yang jauh lebih sedikit daripada yang diramalkan kerana instrumen itu disesuaikan dengan hanya satu rasa neutrino-jenis yang menghasilkan elektron-dan yang hilang yang beralih. Untuk yang lain, penemuan itu menumpahkan kepercayaan ahli fizik bahawa neutrino, seperti foton, tidak mempunyai massa. (Berfungsi di antara rasa adalah sesuatu yang hanya zarah yang boleh dilakukan oleh jisim.)
Berapa banyak jisim neutrino? Untuk mengetahui, ahli fizik sedang membina KATRIN-Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Akhir perniagaan KATRIN mempunyai alat 200-ton yang dipanggil spektrometer yang akan mengukur jisim atom sebelum dan sesudah mereka meremehkan secara radioaktif-dengan itu mendedahkan berapa banyak jisim neutrino yang dimatikan. Juruteknik membina spektrometer kira-kira 250 batu dari Karlsruhe, Jerman, di mana eksperimen akan beroperasi; peranti itu terlalu besar untuk jalan sempit di rantau ini, sehingga ia diletakkan di atas perahu di Sungai Danube dan melayang melewati Vienna, Budapest dan Belgrade, ke Laut Hitam, melalui Aegean dan Mediterranean, sekitar Sepanyol, melalui Saluran Bahasa Inggeris, ke Rotterdam dan ke Rhine, kemudian ke selatan ke pelabuhan sungai Leopoldshafen, Jerman. Di sana ia dilepaskan ke sebuah trak dan mencicit melalui bandar ke destinasinya, dua bulan dan 5, 600 batu kemudian. Ia dijadualkan untuk mula mengumpul data pada tahun 2012.
Ahli fizik dan ahli astronomi yang berminat dengan maklumat yang neutrino dari luar angkasa mungkin membawa supernovas atau galaksi bertabrakan telah menubuhkan neutrino "teleskop." Satu, dipanggil IceCube, berada di dalam kawasan ais di Antartika. Apabila selesai, pada tahun 2011, ia akan terdiri daripada lebih daripada 5, 000 sensor cahaya biru (lihat gambar di atas). Sensor tidak bertujuan di langit, seperti yang anda harapkan, tetapi ke arah tanah, untuk mengesan neutrinos dari matahari dan ruang luar yang datang melalui planet ini dari utara. Bumi menghancurkan sinar kosmik, tetapi kebanyakan neutrinos zip melalui planet seluas 8.000 mil seolah-olah tidak ada di sana.
Percubaan neutrino jarak jauh berlaku di bawah beberapa negeri Midwestern. Penderas bertenaga tinggi, yang menghasilkan zarah subatomik, menimbulkan sinar neutrinos dan zarah yang berkaitan sebanyak enam batu dalam, di bawah utara Illinois, di seluruh Wisconsin dan ke Minnesota. Zarah-zarah bermula di Fermilab, sebagai sebahagian daripada eksperimen yang disebut Carian Penalaan Olier Neutrino Utama (MINOS). Dalam masa kurang dari tiga ribuan saat, mereka memukul pengesan di lombong besi Soudan, 450 batu jauhnya. Data yang dikumpulkan oleh para saintis mencetuskan gambaran mereka tentang dunia yang sangat kecil ini: kini kelihatan bahawa bentuk neutrous yang eksotik, yang dipanggil anti-neutrino, mungkin tidak mengikuti peraturan yang sama dengan ayunan seperti neutrino lain.
"Apa yang sejuk, " kata Conrad, "adalah bukan itu yang kami harapkan."
Apabila ia datang kepada neutrinos, sangat sedikit.
Buku terbaru Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, adalah mengenai Sloan Digital Survey Sky, usaha untuk memetakan alam semesta.
Kebanyakan neutrino yang membombardir kita datang dari matahari, ditunjukkan di sini dengan imej ultraviolet. (NASA) 
Pengesan Super-Kamiokande gua di Jepun dipenuhi dengan 13, 000 sensor untuk menunjukkan tanda-tanda neutrino. Pekerja di dalam bot memantau peranti kerana ia mengisi dengan air. (Balai Cerap Kamioka, ICRR (Institut Penyelidikan Ray Cosmic), Universiti Tokyo) 
Dalam beberapa reaksi di teras matahari, atom hidrogen menghasilkan helium melalui gabungan. Proses ini mengeluarkan zarah tenaga dan subatomik, termasuk neutrinos. Apabila foton, atau zarah cahaya, meninggalkan teras padat matahari, ia terperangkap dalam haba dan kemarahan dan mungkin tidak dapat mencapai kita selama berjuta-juta tahun. Tetapi neutrino suria tidak terhalang dan mencapai bumi dalam lapan minit. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
Observatori Sudbury Neutrino Kanada mengesahkan bahawa neutrino boleh mengubah identitinya. (SNO) 
Pakar fizik di Brookhaven National Laboratory di New York, ditunjukkan di sini di pengesan STAR makmal, berharap untuk menembak rasuk neutrino di bawah tanah ke lombong Homestake di South Dakota. (BNL) 
Pengesan MINOS neutrino di Minnesota adalah sasaran rasuk neutrino yang ditembak dari Illinois. (Perkhidmatan Media Visual Fermilab) 
Spektrometer KATRIN, yang akan mengukur jisim neutrino, dipancarkan melalui Leopoldshafen, Jerman, dalam perjalanan ke makmal. (Institut Teknologi Karlsruhe) 
Pengesan neutrino IceCube di Antartika tertanam di dalam ais. Dengan 5, 000 sensor yang melekat pada lebih daripada 70 baris, IceCube akan mencari neutrinos yang telah melewati 8, 000 batu melalui planet ini. (Universiti Wisconsin-Madison) 
Satu rentetan sensor turun ke lubang 8, 000 kaki dalam. (Jim Haugen / Yayasan Sains Kebangsaan)
