למה פיסיקאים צדים את הזרם של חלקיקים רפאים


כל שנייה בכל יום, אתה מופגז על ידי טריליונים על טריליונים של חלקיקים תת אטומיים, מתקלח מעומק החלל. הם מתנגשים בך בכוח של סופת הוריקן קוסמית, מתנפצים במהירות האור כמעט. הם באים מכל רחבי השמים, בכל שעות היום והלילה. הם חודרים לשדה המגנטי של כדור הארץ ולאוירת המגן שלנו כמו כל כך הרבה חמאה.

ובכל זאת, השיער על החלק העליון של הראש שלך אפילו לא פרע.

מה קורה?

הכדורים הקטנים האלה נקראים נייטרינים, מונח שטבע בשנת 1934 על ידי הפיזיקאי המבריק אנריקו פרמי. המילה באיטלקית מעורפלת ל"ניטרלית קטנה ", וקיומם היה משוער להסביר תגובה גרעינית מוזרה מאוד. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

לפעמים אלמנטים מרגישים קצת … לא יציבים. ואם הם נשארים לבד זמן רב מדי, הם מתפרקים ולהפוך את עצמם למשהו אחר, משהו קצת יותר קל על השולחן המחזורי. בנוסף, אלקטרון קטן היה קופץ החוצה. אבל בשנות העשרים של המאה התשע-עשרה מצאה התבוננות זהירה ומפורטת של ההתפרצויות הללו פערים קטנים וקטנים. האנרגיה הכוללת בתחילת התהליך היתה קצת יותר גדולה מהאנרגיה שיצאה. המתמטיקה לא התווספה. מוזר.

לכן, כמה פיסיקאים חברו חלקיק חדש לגמרי מתוך בד שלם. משהו לשאת את האנרגיה החסרה. משהו קטן, משהו קל, משהו בלי תשלום. משהו שיכול לחמוק דרך הגלאים שלהם מעיניהם.

קצת ניטרלי. נייטרינו.

זה לקח עוד כמה עשורים כדי לאשר את קיומם – זה כמה חלקלקים ערמומי ערמומי הם. אבל בשנת 1956, נייטרינים הצטרפו למשפחה ההולכת וגדלה של חלקיקים ידועים ומדודים.

ואז הדברים נהיו מוזרים.

הצרות החלו להתבשל עם גילויו של המואון, שבמקרה התרחש באותו זמן שבו רעיון הנייטרינו החל לעלות על הקרקע: שנות השלושים. המואון הוא כמעט כמו אלקטרון. אותו חיוב. אותו ספין. אבל זה שונה באופן מכריע אחד: הוא כבד יותר, גדול פי 200 מאסיבי יותר מאחיו, האלקטרון.

Muons להשתתף שלהם סוגים מסוימים של תגובות, אבל לא נוטים להימשך זמן רב. בגלל כמותם המרשימה, הם מאוד לא יציבים במהירות להתפורר לתוך מקלחות של סיביות קטנות יותר ("מהר" פירושו בתוך מיקרו שניות או שתיים).

זה הכל טוב וטוב, אז למה מיואנים להבין את הסיפור נייטרינו?

הפיסיקאים שמו לב שתגובות דעיכה שהציעו את קיומו של הנייטרינו תמיד היה יצוץ אלקטרונים, ולא מיאון. בתגובות אחרות, מיואונים היו קופצים החוצה, ולא אלקטרונים. כדי להסביר את הממצאים האלה, הם הניחו כי הנייטרינים תמיד מתאימים עם אלקטרונים בתגובות אלה של ריקבון (ולא כל סוג אחר של נייטרינו), בעוד שהאלקטרונים חייבים להתמזג עם סוג נייטרינו שטרם התגלה. אלקטרונים ידידותיים לנויטרינו לא יוכלו להסביר את התצפיות מאירועי המואון. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

וכך המשיך הציד. וכן הלאה. וכן הלאה. רק ב -1962 הצליחו הפיזיקאים לנעול את הסוג השני של הנייטרינו. זה היה במקור המכונה "נויטרטו", אבל ראשי רציונלי יותר שררה עם תוכנית של קוראים לזה את המואון נייטרינו, שכן הוא תמיד זיווג עצמו התגובות עם מיואון.

אוקיי, אז שני נייטרינים מאושרים. האם הטבע יש לנו יותר עבורנו? ב -1975, חוקרים במרכז הסטאנפורד ליניארי Accelerator נינוחה באומץ בהרי נתונים מונוטוניים כדי לחשוף את קיומו של אח אחיד עוד יותר אל האלקטרון הזריז והמיון הכבד: הטאו הענקי, השעון ב -50000 פעמים, המונית של האלקטרון . זה חלקיק גדול!

אז מיד השאלה היתה: אם יש משפחה של שלושה חלקיקים, האלקטרון, המואון והטאו … האם יכול להיות נייטרינו שלישי, לצמד עם היצור החדש הזה?

אולי ואולי לא. אולי יש רק שני נייטרינים. אולי יש ארבעה. אולי 17. הטבע לא בדיוק עמד בציפיות שלנו בעבר, ולכן אין סיבה להתחיל עכשיו.

מדלגים על הרבה פרטים מבעיתים, במשך עשרות שנים, משכנעים הפיזיקאים את עצמם באמצעות מגוון ניסויים ותצפיות כי נייטרינו שלישי צריך להתקיים. אבל זה לא היה עד סוף האלף, ב -2000, כי ניסוי שתוכנן במיוחד בפרמילאב (שנקרא בצורה הומוריסטית לניסוי DONT, עבור תצפית ישירה של NU Tau, ולא, אני לא עושה את זה) סוף סוף יש מספיק sightings אישר בצדק טוענים זיהוי.

אז, למה אכפת לנו כל כך הרבה על נייטרינו? למה אנחנו רודפים אחרי למעלה מ -70 שנה, מלפני מלחמת העולם השנייה לעידן המודרני? מדוע דורות של מדענים היו מוקסמים כל כך מאלה הקטנים והנייטרליים?

הסיבה לכך היא הנייטרינים להמשיך לחיות מחוץ לציפיות שלנו. במשך זמן רב לא היינו בטוחים שהם קיימים. במשך זמן רב, היינו משוכנעים שהם חסרי מסה לחלוטין, עד שהתנסויות גילו כי הם חייבים להיות בעלי מסה. בדיוק "כמה" נשאר בעיה מודרנית. ו נייטרינים יש הרגל זה מעצבן של שינוי אופי כמו שהם נוסעים. זה נכון, כמו נייטרינו נוסע בטיסה, הוא יכול להחליף מסכות בין שלושת הטעמים.

אולי יש עדיין נויטרינו נוסף שם בחוץ, שאינו משתתף באינטראקציות רגילות – משהו המכונה הנייטרינו הסטרילי, שפיסיקאים מחפשים בצניעות.

במילים אחרות, הנייטרינו ממשיכים לאתגר את כל מה שאנחנו יודעים על הפיזיקה. ואם יש דבר אחד שאנחנו צריכים, הן בעבר והן בעתיד, זה אתגר טוב.

פול סאטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת אוהיו, מארח של שאל איש חלל ו רדיו חלל, ומחבר הספר המקום שלך ביקום.

פורסם במקור ב מדע חי.