Cząstka ducha
Alana Chodosa i Jamesa Riordona
MIT Press, 32,95 USD

Żyjemy w morzu neutrin. W każdej sekundzie przez nasze ciała przechodzą ich biliony. Pochodzą ze słońca, reaktorów jądrowych, zderzeń promieni kosmicznych uderzających w ziemską atmosferę, a nawet Wielkiego Wybuchu. Wśród cząstek elementarnych liczniejsze są tylko fotony. Jednak ponieważ neutrina prawie nie wchodzą w interakcje z materią, są bardzo trudne do wykrycia.

Istnienie neutrin zostało po raz pierwszy zaproponowane w latach trzydziestych XX wieku, a następnie zweryfikowane w latach pięćdziesiątych (Nr seryjny: 13.02.54). Dziesięciolecia później wiele informacji na temat neutrin – nazwanych po części dlatego, że nie mają one ładunku elektrycznego – pozostaje tajemnicą, w tym ile istnieje odmian neutrin, ile mają one masy, skąd ta masa pochodzi i czy mają jakieś właściwości magnetyczne.

Te tajemnice leżą u podstaw Cząstka ducha przez fizyka Alana Chodosa i dziennikarza naukowego Jamesa Riordona. Książka jest pouczającym, łatwym do zrozumienia wprowadzeniem do kłopotliwej cząstki. Chodos i Riordon prowadzą czytelników przez to, jak odkryto neutrino, co o nim wiemy — i czego nie wiemy — oraz o trwających i przyszłych eksperymentach, które (trzymamy kciuki) dostarczą odpowiedzi.

Nie tylko fizycy zajmujący się neutrinami czekają na te odpowiedzi. Neutrina, jak mówi Riordon, „są niezwykle ważne zarówno dla zrozumienia wszechświata, jak i naszej w nim egzystencji”. Na przykład zdemaskowanie neutrina może być kluczem do odkrycia natury ciemnej materii. Albo może wyjaśnić zagadkę materii wszechświata: Wielki Wybuch powinien był wytworzyć równe ilości materii i antymaterii, przeciwnie naładowanych odpowiedników elektronów, protonów i tak dalej. Kiedy materia i antymateria wchodzą w kontakt, anihilują się nawzajem. Więc teoretycznie dzisiejszy wszechświat powinien być pusty — a jednak tak nie jest (Numer seryjny: 22.09.22). Jest wypełniony materią iz jakiegoś powodu bardzo małą ilością antymaterii.

Wiadomości naukowe rozmawiał z Riordonem, częstym współpracownikiem magazynu, o tych zagadkach i o tym, jak neutrina mogą działać jako narzędzie do obserwacji kosmosu, a nawet zajrzeć do naszej własnej planety. Poniższa rozmowa została zredagowana pod kątem długości i przejrzystości.

Numer seryjny: W pierwszym rozdziale wymieniasz osiem pytań dotyczących neutrin, na które nie udzielono odpowiedzi. Która odpowiedź jest najbardziej paląca?

Riordon: To, czy są one własnymi antycząstkami, jest prawdopodobnie jednym z największych. Propozycja, że ​​neutrina są swoimi własnymi antycząstkami, jest eleganckim rozwiązaniem wszelkiego rodzaju problemów, w tym istnienia tej pozostałości materii, w której żyjemy. Innym jest ustalenie, jak neutrina pasują do modelu standardowego [of particle physics]. Jest to jedna z najbardziej udanych teorii, ale nie może wyjaśnić faktu, że neutrina mają masę.

Numer seryjny: Dlaczego teraz jest dobry czas na napisanie książki o neutrinach?

Riordon: Wszystkie te pytania dotyczące neutrin w pewnym sensie zbliżają się teraz do główki — wskazówki, że neutrina mogą być swoimi własnymi antycząstkami, kwestie neutrin, które nie do końca pasują do modelu standardowego, czy istnieją sterylne neutrina [a hypothetical neutrino that is a candidate for dark matter]. W ciągu najbliższych kilku lat, mniej więcej dekady, będzie wiele eksperymentów, które to zrobią [help answer these questions,] a rozwiązanie tak czy inaczej będzie ekscytujące.

Numer seryjny: Neutrina można również wykorzystać, aby pomóc naukowcom obserwować szereg zjawisk. Na jakie najbardziej interesujące pytania mogą pomóc neutrina?

Riordon: Istnieją pewne obserwacje, które po prostu trzeba zrobić z neutrinami, dla których nie ma innych alternatyw technologicznych. Istnieje problem z używaniem teleskopów opartych na świetle, aby spojrzeć wstecz w historię. Mamy ten naprawdę niesamowity Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, który może zobaczyć naprawdę odległe czasy w historii. Ale w pewnym momencie, kiedy cofniesz się wystarczająco daleko, wszechświat jest w zasadzie nieprzejrzysty dla światła; nie możesz w to zajrzeć. Kiedy już zawęzimy sposób wykrywania i mierzenia tła neutrin kosmicznych [neutrinos that formed less than a second after the Big Bang], będzie to sposób na spojrzenie wstecz na sam początek. Poza falami grawitacyjnymi, niczym innym nie można zobaczyć tak daleko wstecz. To da nam coś w rodzaju teleskopu z powrotem do początku wszechświata.

Inną rzeczą jest to, że kiedy wybucha supernowa, w środku dzieją się różne naprawdę fajne rzeczy i można to zobaczyć za pomocą neutrin, ponieważ neutrina wychodzą natychmiast w wybuchu. Nazywamy to „kosmiczną bombą neutrinową”, ale można śledzić przebieg supernowej. W przypadku światła potrzeba trochę czasu, aby się wydostać [of the stellar explosion]. Jesteśmy umówieni na a [nearby] supernowa. Nie mieliśmy żadnej od 1987 roku. Była to ostatnia widoczna supernowa na niebie i była dobrodziejstwem dla badań. Teraz, gdy mamy detektory neutrin na całym świecie, ten następny będzie jeszcze lepszy [for research]jeszcze bardziej ekscytujące.

A jeśli opracujemy lepsze oprzyrządowanie, moglibyśmy użyć neutrin, aby zrozumieć, co dzieje się w centrum Ziemi. Nie ma innego sposobu na zbadanie środka Ziemi. Używamy fal sejsmicznych, ale rozdzielczość jest naprawdę niska. Moglibyśmy więc rozwiązać wiele pytań dotyczących tego, z czego zbudowana jest planeta za pomocą neutrin.

Numer seryjny: Czy masz ulubioną „postać” w historii neutrin?

Riordon: Z pewnością bardzo lubię mojego dziadka Clyde’a Cowana [he and Frederick Reines were the first physicists to detect neutrinos]. Ale Reines to porywająca postać. Był poetycki. Był piosenkarzem. On naprawdę był tą siłą twórczą. wspomniałem [in the book] że umieścili ten znak „SNEWS” na swoim detektorze dla „systemu wczesnego ostrzegania o supernowej”, który był swego rodzaju echem ówczesnych systemów wczesnego ostrzegania o pociskach balistycznych [during the Cold War]. To takie dojrzałe.

Kupić Cząstka ducha z Bookshop.org. Wiadomości naukowe jest partnerem Bookshop.org i będzie otrzymywać prowizję od zakupów dokonanych za pośrednictwem linków w tym artykule.