SUUR ÜLEVAADE: Neutriino – seni mõistatuslik ja tabamatu seaduserikkuja
Osake kütab aina üles uurijate kirgi; maailmas ehitatakse tema püüdmiseks üha suuremaid, keerulisemaid ning kallimaid seadmeid.
Eelmise sajandi alguses paelus füüsikuid aatomituumade radioaktiivne lagunemine, sealhulgas nn beetalagunemine, mille puhul aatomituumas üks neutron laguneb prootoniks ja elektroniks (ehk beetaosakeseks).
Selle protsessi uurijaid tabas aga raskekujuline peavalu. Osutus, et beetaosakese ja aatomituuma energia summa oli väiksem kui tuuma energia enne lagunemist, mis teiste sõnadega tähendas, et oli rikutud füüsika üht senist põhiseadust – energia jäävuse seadust (!).
Kõik korduskatsed andsid ikka ja jälle samasuguse tulemuse. Füüsikud olid moraalselt löödud, kuna ei osanud leida seletust sellele, kuhu energia kadus.
Osa füüsikuid tõstis käed ja püüdis kaotusega leppida. Kuid oli üks mees, kes ei andnud alla. See oli noor Šveitsi füüsik Wolfgang Pauli, kes tuli 1930. aastal järeldusele, et ainuke viis füüsikaseadusi päästa on võimalus, et beetaprotsessis eraldub aatomituumast veel ka üks senitundmatu osake, mis viib endaga kaasa energiat ning on elektriliselt neutraalne.
Seetõttu nimetas ta selle neutroniks, lisades, et neutraalsuse tõttu on teda võimatu katseliselt tabada.
Enamik füüsikuid pidas hüpoteesi liiga kergemeelseks mõttevälgatuseks, seda enam, et mõte oli kirjutatud postkaardile, mille Pauli läkitas sel ajal toimunud konverentsist osavõtjatele koos vabandusega, et ei saa ise kohale sõita.
Kuid kuulus tuumafüüsik Enrico Fermi taipas, et Pauli ideel on jumet ning asus beetalagunemise uut teooriat arendama. Samuti tegi ta Paulile ettepaneku nimetada sündiv lapsuke neutriinoks (ehk väikeseks neutroniks).
Standardmudel – elementaarosakeste põhiseadus
Need olid aastad, mil sündis uus tänapäevane füüsika – kvantmehaanika ning kvantväljateooria –, mis osutus väga viljakaks elementaarosakeste alal nii eksperimentide seletamisel kui ka uute nähtuste ennustamisel.
Selgus, et kogu maailm koosneb vaid neljast algosakesest – elektronist, neutriinost ja kahte tüüpi kvargist.
Neid seovad ja ühendavad struktuurideks neli jõudu – gravitatsioon ja elektromagnetism, mis toimivad kogu ruumis, ning tugev ja nõrk tuumajõud, mille toime on piiratud vaid väga väikese tuumapiirkonnaga.
Kõiki neid kirjeldab ja süstematiseerib tänapäeval osakestefüüsika valitsev teooria ehk nn Standardmudel, mida võib pidada selle ala Põhiseaduseks või Pühakirjaks. See sisaldab rea seadusi, mida osakesed ei tohi rikkuda, ja käske, mida neil tuleb täita.
Pisike osake, aga suured probleemid
Nagu neutriino isa Pauli ütleski, on teda võimatu püüda. Ja seda suures osas just tema neutraalsuse tõttu, kuna praktiliselt kõik osakeste detektorid ja uurimisseadmed põhinevad elektrilistel omadustel ja nähtustel, neutriino aga tunneb vaid nõrga jõu nimelist suhtlemiskeelt, mis kostab väga lühikese maa peale tuuma sees.
Seetõttu on neutriino jaoks aine ja kogu maailm praktiliselt tühi ruum. Näiteks võiks ta vabalt läbida isegi valgusaastapaksuse seatinakihi, ilma et põrkuks mingi tuumaosakesega.
Kuid see võib juhtuda siiski ühe neutriinoga miljarditest või triljonitest. Seepärast nimetatakse neutriinot mõnikord ka viirastuslikuks või tontlikuks ning püüdmatuks.
Kuna neutriinot otseselt vaadelda ei ole võimalik, siis tuleb asja korraldada nii, et neutriino kohtumisel mingi tuumaosakesega oleks võimalik tuvastada selle kohtumise jälgi – näiteks interaktsiooni käigus sündinud teisi osakesi, mida on võimalik registreerida.
Selleks, et saavutada detektoris mõnigi neutriino kokkupõrge mingi aine osakesega, peab detektor olema võimalikult suur ja sinna suunatud neutriinovoog võimalikult tihe ning vaatluste ehk mõõtmiste aeg võimalikult pikk, mis kokkuvõttes on kõik väga kallis.
Teine suur probleem katsetes neutriinodega seisneb mõõtmisi segava fooni elimineerimises või vähendamises. Kõige rohkem segavad kosmilised kiired, aga samuti kõikjal esinevad looduslikud radioaktiivsed ained.
Seepärast on üldlevinud tava paigutada neutriinodetektorid sügavale maa alla, näiteks endistesse kaevandustesse, või meresügavustesse ning isegi lõunapooluse jääkilpi.
Kust neutriinod tulevad?
Neutriinosid on kõik kohad täis ja võiks isegi öelda, et universum kujutab endast hiiglaslikku neutriinode ookeani või pilve, kus haruharva kohtab ka mingeid teisi aineosakesi – umbes üks 100 miljoni neutriino kohta.
Need tekkisid universumi sünnil Suure Paugu käigus juba esimestel sekunditel, saatusekaaslaseks veidi hiljem tekkinud reliktkiirgus ehk kogu universumi täitev mikrolaineline taustkiirgus CMB.
Mõlemad on universumi paisumise käigus jahtunud peaaegu absoluutse nulli lähedale ning kaotanud energiat. Arvutuste järgi on reliktneutriinode energia kõigest 0,0004 eV, mis ei ole piisav interaktsioonideks teiste osakestega ega ole seetõttu mõõdetav ka ühegi detektoriga.
Koos energiaga on loomulikult kahanenud ka nende esialgne valguskiiruse lähedane kiirus ja on nüüd kõigest 2000 km/s. Teooria kohaselt leidub universumi igas liitris koguni 0,3 miljonit reliktneutriinot.
Praegusel ajal "töötavatest" neutriinoallikatest on inimestele olulisim Päike, mille keskmes toimub "nõrga" jõu toimel prootonite termonukleaarne ühinemisreaktsioon (fusioon) heeliumi tuumaks.
Selle käigus tekib 2 x 10 ^ 38 neutriinot sekundis ning need paiskuvad maailmaruumi laiali. Maani jõudes on nende voo tihedus 65 miljardit ruutsentimeetri kohta sekundis ning selline voog läbib siin kõike, ka meid endid, ilma et me seda märkaks.
Meie koduplaneedi sisemuses olevad uraani ja tooriumi isotoobid toodavad energiat kokku koguses, mis on võrreldav umbes 20 000 tuumajaama omaga, ning väljastavad neutriinosid, mille voog maapinnale jõudes on 6 miljonit ruutsentimeetri kohta sekundis.
Tänapäeval toodab neutriinosid ka inimene ise nii tuumareaktorites, kus neutriinod on paratamatu kõrvalsaadus (umbes 1020 neutriinot sekundis), kui ka osakestekiirendites mitmesuguste teadusele vajalike eksperimentide läbiviimisel.
Lõpuks tabatud
Kuigi Pauli arvas, et neutriinot on võimatu püüda, võtsid selle võimatuna näiva missiooni siiski ette Clyde Cowan ja Frederick Reines 1953. aastal USAs, kui neil avanes võimalus kasutada võimsat neutriinode allikat, Hanfordi tuumareaktorit, mis oli sõja ajal ehitatud plutooniumi tootmiseks, millega täideti Nagasakile heidetud tuumapomm Fat Man.
Hiljem jätkasid nad katseid reaktoril Savannah River. Kuigi see saatis nende seadmesse 50 triljonit neutriinot iga ruutsentimeetri kohta sekundis, suutis seade tuvastada vaid kolm neutriinot tunnis.
Tõendiks, et püünisesse oli sattunud neutriino (täpsemalt siiski antineutriino!), oli selle poolt prootoni tabamisel tekkinud positron, mis elektroniga kohtudes kohe annihileerus kaheks gammafootoniks, ning samal ajal sündinud neutron, mis neeldus kaadmiumis, tekitades täiendava gammakvandi.
Tekkinud gammakiiri registreeriti stsintillaatorite ja fotoelektronkordistite abil. Piisava usaldusväärsusega andmete kogumine võttis aega kolm aastat ning alles 14. juunil 1956 saatsid teadlased Paulile telegrammi (anti)neutriino eksperimentaalse kinnituse kohta.
Pauli saatis neile õnnitluseks kasti šampanjat. Nobeli auhinda tuli neil meestel aga oodata veel ligi 40 aastat, kusjuures Cowan ei jõudnudki seda ära oodata.
Võrdluseks: müüneutriino avastamise eest 1962. aastal anti autoritele Nobeli auhind alles 1988. aastal, tauneutriino õnnestus füüsikutel kinni püüda aga 2000. aastal.
Probleemid päikeseneutriinodega
Mured algasid siis, kui hakati mõõtma päikeselt maale jõudvate neutriinode hulka. Teoreetiliselt oli hästi teada, kui palju neid peaks olema, kuid korduvates katsetes saadud tulemused näitasid jonnakalt 2–3 korda väiksemat arvu.
Läks tublisti aega, enne kui saadi jälile, et selle põhjuseks on neutriino iselaadne omadus.
Nimelt võib neutriino esineda kolmes erinevas olekus (nimetatakse ka flavoriks; Eesti autorid on kasutanud sõnu "lõhn", "mekk", "bukett") – kord elektronneutriinona (seda kiirgavad päike ja tähed), kord müüneutriinona (tekib peamiselt atmosfääris kosmilise kiirguse mõjul) või isegi tauneutriinona.
Neutriinod ei olnud siiski läinud kaduma, vaid muundusid selliselt, et senised detektorid ei suutnud neid enam märgata. See on mikromaailma omapärane nähtus, mis leiab tõestuse vaid kvantfüüsikas.
Selle tekkimiseks on vajalik, et neutriinol oleks ka kolm erinevat massi omaseisundit (eigenstates). Elementaarosakeste Standardmudel nägi aga ette, et neutriinod on massita osakesed, seega said neutriinod hakkama Pühakirja rikkumisega.
Nii tekkis aga uus probleem neutriino massiga. Selle suurus on aga tähtis, et paremini mõista tähtede ja galaktikate tekkimist ja arenemist.
Samuti on tähtis teada, kui suure osa moodustavad neutriinod nn tumeainest, aga ka universumi keskmisest ainetihedusest.
Vaatamata arvukatele katsetele (nende hulgas ka Eestis) ei ole seni suudetud neutriinode täpset massi kindlaks teha, on fikseeritud üksnes massi piirväärtusi, millest nad jäävad allapoole.
Neutriinod on rikkunud ka Standardmudeli veel ühte selle "kümnest" käsust – laengpaarsuse (CP) jäävuse seadust.
Seda seaduserikkumist tahavad teadlased aga ära kasutada oma huvides, lootes selle abil ära seletada üht teaduse suurimat mõistatust – miks universum koosneb just ainest, mitte aga looduseaduste järgi samaõiguslikust antiainest, sest Suures Paugus tekkis nii osakesi kui ka antiosakesi võrdselt ning kohtudes omavahel oleksid nad pidanud annihileeruma.
Kuid millegipärast jäi selle käigus osakesi veidi üle ning neist ehituski meie tuntud maailm – arvatavasti tänu sellele, et neutriinod rikkusid CP sümmeetriaseadust.
Neutriinoastronoomia sünd
Selle alguseks loetakse Eesti vabariigi 69. sünniaastapäeval toimunud supernoova SN1987A süttimist 168 000 valgusaasta kaugusel Suures Magalhãesi pilves ning sellest väljunud 1058 neutriinost 19 kinnipüüdmist Kamiokande ja IMB neutriinodetektorites (vastavalt 11 ja 8).
Nimelt pakuvad neutriinod uusi võimalusi mitmesuguste astrofüüsikaliste objektide nagu supernoovad, aktiivsed galaktikatuumad, pulsarid jms sisemuses toimuvate protsesside tundmaõppimiseks, sest senine elektromagnetlainetel põhinev astronoomia peab leppima vaid footonitega taevakehade välispinnalt ja kiirguse neeldumisega ning isegi kõverdumisega kosmilises keskkonnas, neutriinod võivad aga läbida sirgjooneliselt kogu universumi.
Peale selle võivad neutriinod leida rakendust ka maapeal. Uurimused on näidanud, et neid saab kasutada Päikese loidetega kaasnevate kiirgusohu ja magnettormide varasemaks ennustamiseks, aga välistatud ei ole ka maavärinate ning vulkaanipursete prognoosimine.
Sellesse loetellu tuleks lisada ka ülemaailmse tuumajulgeoleku tugevdamise võimalused. Neutriinodel põhinevate meetmetega saaks jälgida lõhestuva tuumaga materjalide kasutamist ja säilitamist, vältimaks nende sattumist terroristlike organisatsioonide kätte.
Neutriinode uusimad tembud
Vist ükski Itaalia ooperietendus ei ole leidnud sellist vastukaja maailma ajakirjanduses, kui 23. septembril 2011. aastal ilmunud teade, et Gran Sasso mägede põues peituvas tuumafüüsika labori neutriinodetektoris OPERA (uudise alguses pildil) on mõõdetud selline neutriinode kiirus, mis ületab valguse kiirust vaakumis.
See aga, nagu iga kooliõpilanegi teab, on kõigi materiaalsete objektide maksimaalne kiirus, mida millelgi ega kellelgi ei ole kunagi võimalik ületada.
Müüneutriinod genereeriti Šveitsis Euroopa tuumauuringute keskuse (CERN) osakestekiirendis ja suunati läbi maa (neutriinodele on see praktiliselt ju tühjus) Itaaliasse Rooma lähistele 731 km kaugusele OPERAsse.
Kauguse mõõtmisel kasutati täpseimaid GPS-seadmeid ja aja mõõtmiseks aatomkelli. Nende näitude alusel arvutatud neutriinode kiirus oli valguse kiirusest 0,00025% võrra kiirem.
Kiiruse ületamine oli küll üliväike, kuid siiski mõõteveast suurem. Teoreetikuid haaras palang mõelda selle seletamiseks välja uusi teooriaid, kuid enamik kahtlustas, et andmetesse on lipsanud mingi viga ning tuleks korraldada eraldi sõltumatu katse.
Tänavu märtsis teataski sõltumatu uurimisrühm, et kordas OPERA katset. Nad kasutasid samas laboris asuvat teist sadet, ICARUSE-nimelist, ja ei tuvastanud kiiruse ületamist. Vahepeal jõudsid ka OPERA omad järeldusele, et süüdi oli logisev valguskaabel, mis mõõtetulemust mõjutas.
Jälgi Forte uudiseid ka Twitteris!
