Sterylne neutrino i nowa fizyka

 

Kto wie , czy imponujący Model Standardowy budowy mikroświata , nie zostanie odłożony na półki historii fizyki i to za sprawą nieuchwytnych i niewidzialnych bezpośrednio cząstek materii o znikomych masach, cząstek przewidzianych w 1930 roku przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego. W.Pauli w liście otwartym do Lise Meitner zatytułowanym :” Lieben Radioaktiven Damen und Herren” napisał ,że kłopoty z modelem teoretycznym procesu „beta-rozpadu” jądra mogą zniknąć ,jeśli założy się istnienie cząstki o znikomej masie i spinie ½ . Enrico Fermi, fizyk włoski [twórca pierwszego reaktora atomowego] natychmiast nazwał ją pieszczotliwie „neutrinos.

Neutrina są elektrycznie obojętne i oddziałują tylko za pośrednictwem oddziaływań słabych [ według Modelu Standardowego]. Są niesłychanie przenikliwe, planeta lub gwiazda nie są dla nich żadną przeszkodą. Niektórzy sądzą ,że neutrina to czysty wymysł fizyków. To błąd. Ich obecność wykrywamy empirycznie przez fakt ,że neutrina są wychwytywane przez jądra atomów powodując ich rozpad. Modele teoretyczne tych zjawisk mają dobre potwierdzenie eksperymentalno-pomiarowe.

Podczas pracy reaktora jądrowego zawsze powstają neutrina, jako produkty uboczne różnych procesów jądrowych. Może dlatego reaktory te są uważane za ekologów za najbardziej przyjazne człowiekowi [w kompleksach przemysłowych zwanych elektrowniami jądrowymi].Ale ekolodzy [podobnie jak feministki] znani są ze skłonności do permanentnych żartów.

Eksperyment „neutrinowy” polega na tym, że w reaktorach wytwarza się wiązki wysokoenergetycznych protonów , które bombardują „tarczę” w wyniku czego powstają pęki nietrwałych „pionów” i „kaonów”. Te ostatnie rozpadają się w locie ,wytwarzając min. neutrina o wysokiej energii i kierunku ruchu prawie takim samym, jak kierunek cząstek pierwotnych. Sterowanie tym kierunkiem tak, by neutrina trafiły do detektora nie przedstawia dużych trudności technicznych. Neutrina natrafiając na jądro atomowe może powodować jego rozpad[proces ten nazywa się – w żargonie fizyków- wychwytem]. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina „wychwytuje się’ w gigantycznych basenach z super-czystą wodą (bądź innymi substancjami, np. argonem) umieszczonych głęboko pod ziemią [lub głęboko w lodzie na Antarktydzie – detektor IceCube ] i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Dzięki gwałtownemu i zmasowanemu rozwoju fizyki neutrin [ projekty i laboratoria np. : Kamiokande,Super-Kamiokande,K2K,SNO,MINOS] nasza wiedza o nich staje się coraz mniej hipotetyczna. Neutrina mają chiralność lewostronną, anty-neutrina prawostronną. Ze stanowiska Modelu Standardowego neutrino nie posiada masy, jednak dotychczasowe eksperymenty i badania teoretyczne podważają te hipotezę. Neutrino występuje w trzech rodzajach ,które w żargonie fizyków nazwane zostały „stanami zapachowymi”. Ten podział pochodzi od trzech rodzajów reakcji ,podczas których powstają neutrina.

Ogólnie rzecz biorąc można powiedzieć, że jeśli w wyniku oddziaływania neutrina z detektorem powstanie elektron, to wówczas oddziałujące neutrino było neutrinem elektronowym[por.rys.1-3,żródło:neutrino.ift.uni.wroc.pl] Jeśli natomiast powstanie mion, lub taon to powiemy, że mieliśmy do czynienia z neutrinami mionowymi, lub taonowymi.

Hipotezę trzech stanów zapachowych neutrina sformułował w 1959 roku Bruno M.Pontecorvo [1],Włoch, urodzony w arystokratycznej rodzinie żydowskiej. Przez pierwszą połowę życia działający we Włoszech, Wielkiej Brytanii, Kanadzie jako wybitny fizyk, a jednocześnie tajny agent sowiecki. Następnie uratowany przez swoich szefów z Moskwy w zorganizowanej ucieczce z całą rodziną do ZSRR, gdzie kierował zespołem ,który zbudował sowiecką bombę wodorową i tam w 1993 zmarł. Pontecorvo, uznany za twórcę fizyki neutrin, przewidział również „oscylacje” neutrin, czyli przemiany jednych stanów zapachowych w drugie [2]. W ciągu ostatnich 15 - 20 lat hipotezy Pontecorvo zostały potwierdzone doświadczalnie. Teoretyczny model oscylacji stanów zapachowych pociąga za sobą twierdzenie : neutrina mają masy spoczynkowe !Jest oczywiste ,że taki model jest sprzeczny z fizyką Modelu Standardowego.

Na podstawie badań oscylacji neutrin w eksperymentach K2K,Super-Kamiokande[3],Daya Bay Reactor sugeruje się, że masy różnych stanów zapachowych neutrin mają dolną granicę ok. 0,04 eV, a górną granicę oszacowano na 0,28 eV. Wielkie amerykańskie projekty badawcze o akronimach

MiniBooNE: orazSciBooNE już wkrótce rozpoczną weryfikację rezultatówSuperKamiokandeJeśli neutrino posiada masę spoczynkową , to znaczy, że nie porusza się z prędkością c. W takiej sytuacji można zmienić zwrot wektora jego pędu na przeciwny, nie zmieniając spinu. Otrzymamy neutrino, które nie będzie anty-cząstką ,bo skrętność[chiralność] o tym nie decyduje.http://arxiv.org/abs/1402.4119

Hipotetycznie więc powinny istnieć prawo-skrętne neutrina i lewo-skrętne anty-neutrina posiadające niezerowe masy spoczynkowe. Z teorii wynika ,że nie produkują żadnych masywnych leptonów [elektronów, mionów, taonów] można więc je uznać za czwarty stan zapachowy neutrin. Zostały nazwane : neutrina sterylne ( ang. sterile neutrino ). Matematycznie opracowane są dwa procesy ,których sprawcą może być sterylne neutrino. W każdym z nich powinno się pojawić twarde promieniowanie elektromagnetyczne typu gamma lub X.

I w tym miejscu przychodzi astrofizyka, oraz kosmologia z Big Bang-iem i ciemną materią włącznie. Od początku bieżącego roku wybuchło zainteresowanie tajemniczym promieniowaniem rentgenowskim nadbiegającym z wielu galaktyk i gromad galaktyk.  dr Esra Bulbul 

Dr Esra Bülbül (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i NASA Goddard) badając(wraz ze współpracownikami ) gromadę galaktyk w Perseuszu przy pomocy Kosmicznego Obserwatorium Chandra, natrafiła [4] na nietypową linię w widmie promieniowania rentgenowskiego o energii 3,56 keV, co odpowiada długości fali ok.0,35 nm.

Gromada galaktyk w Perseuszu jest otoczona chmurą gorącej plazmy z jonów krzemu, siarki i żelaza(głównie).Emitowane stamtąd kwanty promieniowania X nie mogą pochodzić ze znanych nam przejść między stanami kwantowymi atomów tych pierwiastków. Pomiary zostały zweryfikowane kosmicznym teleskopem XMM-Newton przez współpracowników dr Esry Bülbül i wzmocnione dodatkowym odkryciem tej samej linii 3,56 keV w 73 innych gromadach galaktyk.[Zdjęcia 5,6-żródło: NASA/Chandra]

Jeszcze później, niezależna grupa astronomów, kierowana przez Alexey’a Boyarsky’ego z Uniwersytetu Leiden w Holandii, pracując z teleskopem XMM-Newton natrafiła na tę samą linię w Galaktyce Andromedy[5].Pojawiły się dziesiątki hipotez i modeli wyjaśniających źródła i przyczyny tajemniczych X-ray o enrgiach 5,56 keV. Atrakcyjnym intelektualnie jest rozpad masywnego, sterylnego neutrino o energii 7 keV ,jako składnika ciemnej materii w oddziaływaniu grawitacyjnym ze zwykłą materią.

„We know that the dark matter explanation is a long shot, but the pay-off would be huge if we're right,” – powiedziała 24.06.2014 Esra Bülbül w rozmowie opublikowanej na portalu NASA,Chandra X-ray Observatory .“So we're going to keep testing this interpretation and see where it takes us.” Podobnie wypowiada się Norbert Schartel ( ESA's XMM-Newton Project Scientist):„The discovery of these curious X-rays was possible thanks to the large XMM-Newton archive, and to the observatory's ability to collect lots of X-rays at different wavelengths, leading to this previously undiscovered line.It would be extremely exciting to confirm that XMM-Newton helped us find the first direct sign of dark matter.”

Jeżeli istnieją masywne ,sterylne neutrina ,jako główny składnik ciemnej materii, to schemat Big Bangu [ a szczególnie jego wczesnej ,bezpośrednio post-inflacyjnej] będzie musiał być zmieniony.

2 października br. czasopismo "Science" opublikowało raport o odkryciu doświadczalnym fermionu Majorany[6].W świetle tego odkrycia, Diraca fizyka fermionów [ a neutrina są fermionami]staje pod znakiem zapytania. Natomiast, niezwykła fizyka Ettore Majorany po blisko 80-ciu latach przymusowego zesłania do lamusa historii staje się podstawą nowego obrazu wszechświata. W tym obrazie na przykład materia i anty-materia nie unicestwiają się wzajemnie przy spotkaniu, gdyż są dualnością ,dualizmem czegoś Jednego.

 

　

Literatura

[1] B.Pontecorvo, Electron and muon neutrinos Zh. Theor.Exp. physics 37,1751,1959

[2]B.Pontecorvo, Lepton mixing and solar neutrino puz-zle. Dubna Report E10545 ,1977

[3] Solar neutrino results in Super-Kamiokande-IIIThe Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. D 83, 052010 (2011), arXiv:1010.0118

[4] E. Bülbül, M.Markevitch and all, Detection of an Unidentified Emission Line in the Stacked X-Ray Spectrum of galaxy Clusters, Astrophysical Journal ,Vol. 789 N.1, 2014

[5] A.Boyarsky,and all ,An unidentified line in X -ray spectra of the Andromeda galaxy and Perseus galaxy cluster, The Astrophysical Journal ,Vol. 789 ,Nr .1,2014

[6] S.Nadji-Perge and all,Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor,Science 

  DOI: 10.1126/science.1259327