Περίεργα στείρα νετρίνα μπορεί να μην υπάρχουν, προτείνουν νέα δεδομένα από πυρηνικούς αντιδραστήρες
Για δεκαετίες, οι φυσικοί γνώριζαν ότι τα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα, τα οποία δεν έχουν σχεδόν καθόλου μάζα και μόλις που αλληλεπιδρούν με άλλη ύλη, διατίθενται σε τρεις τύπους - ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ. Και για εξίσου καιρό, ορισμένοι θεωρητικοί υποστήριξαν ότι θα μπορούσε να υπάρξει ένα τέταρτο, αποστειρωμένο νετρίνο που θα ήταν ακόμη πιο περίεργο και πιο αδρανές από τα γνωστά του ξαδέρφια. Αλλά η υπόθεση για το αποστειρωμένο νετρίνο μόλις χτύπησε, καθώς οι φυσικοί που εργάζονται σε ένα πείραμα στην Κίνα αναφέρουν δεδομένα που υπονομεύουν ένα από τα τρία βασικά στοιχεία για την ύπαρξή του.
Οι διαφορετικοί τύποι νετρίνων γεννιούνται από διαφορετικές σωματιδιακές διασπάσεις και αλληλεπιδράσεις. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο ηλεκτρονίων - πιο συγκεκριμένα, ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίων - αναδύεται όταν ένας ατομικός πυρήνας όπως το τρίτιο υφίσταται έναν τύπο ραδιενεργού διάσπασης που ονομάζεται "διάσπαση β" και μετατρέπεται σε έναν ελαφρώς λιγότερο μαζικό πυρήνα ηλίου-3 ενώ φτύνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Ομοίως, ένα νετρίνο μιονίου μπορεί να αναδυθεί από τη διάσπαση ενός σωματιδίου που ονομάζεται μιόνιο, το οποίο βρίσκεται συνήθως στις κοσμικές ακτίνες. Και ένα νετρίνο ταυ αναδύεται στη διάσπαση ενός τεράστιου σωματιδίου που ονομάζεται ταυ που μπορεί να παραχθεί με έναν θρυμματιστή ατόμου.
Από το 1998, οι φυσικοί γνωρίζουν επίσης ότι τα νετρίνα μπορούν να αλλάξουν τύπο καθώς κινούνται με ταχύτητα σχεδόν του φωτός, έτσι ώστε ένα νετρίνο μιονίων να μπορεί να γίνει νετρίνο ηλεκτρονίων κ.λπ. Ένα στείρο νετρίνο θα ήταν ένας τέταρτος τύπος που δεν θα μπορούσε να γεννηθεί στη διάσπαση οποιουδήποτε γνωστού σωματιδίου ή ακόμη και να αλληλεπιδράσει με συνηθισμένα σωματίδια. Αντίθετα, θα μπορούσε να προκύψει μόνο εάν ένα από τα γνωστά νετρίνα μεταμορφωνόταν σε αυτό.
Για 20 χρόνια, διάφορα πειράματα υπαινίχθηκαν για στείρα νετρίνα με μάζα περίπου 1 ηλεκτρονιοβολτ, περίπου 10 έως 100 φορές μεγαλύτερη από ό,τι πιστεύεται ότι είναι τα άλλα νετρίνα. Για παράδειγμα, από το 1993 έως το 1998 φυσικοί με τον Ανιχνευτή Νετρίνων Liquid Scintillator στο Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos στο Νέο Μεξικό μελέτησαν μια δέσμη νετρίνων μιονίων και βρήκαν δελεαστικές ενδείξεις ότι μπορεί να μεταμορφώνονται σε στείρα νετρίνα. Μια άλλη ένδειξη προέρχεται από ένα ζευγάρι πειραμάτων που ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1990 στη Ρωσία και τη Γερμανία, τα οποία σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύουν τα νετρίνα ηλεκτρονίων από τον ήλιο. Και τα δύο πειράματα χρησιμοποίησαν ανιχνευτές από γάλλιο και όταν οι ερευνητές τους βαθμονομούσαν με ραδιενεργές πηγές, μέτρησαν πολύ λίγα νετρίνα ηλεκτρονίων, υποδηλώνοντας ότι μεταμορφώνονταν γρήγορα σε στείρα.
Τα τελευταία στοιχεία για στείρα νετρίνα εμφανίστηκαν το 2011, όταν μια ομάδα θεωρητικών υποστήριξε ότι διάφορα πειράματα που ανιχνεύουν ηλεκτρονικά αντινετρίνα από κοντινούς πυρηνικούς αντιδραστήρες είδαν λιγότερα αντινετρίνα από ό,τι θα έπρεπε. Ονομάστηκε ως ανωμαλία αντινετρίνο του αντιδραστήρα, αυτό το έλλειμμα ενίσχυε την υπόθεση για ένα στείρο νετρίνο, καθώς υποδηλώνει ότι τα αντινετρίνα μεταμορφώνονταν σε μη ανιχνεύσιμη στείρα μορφή. Στην πραγματικότητα, η ανωμαλία κατά των νετρίνων του αντιδραστήρα αναζωπύρωσε το ενδιαφέρον για την ιδέα των αποστειρωμένων νετρίνων, λέει ο Patrick Huber, θεωρητικός στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Βιρτζίνια και το Κρατικό Πανεπιστήμιο στο Blacksburg και συνεργάτης στο πείραμα νετρίνων του αντιδραστήρα Daya Bay κοντά στο Shenzhen της Κίνας.
Τώρα, ωστόσο, οι φυσικοί του Daya Bay αναφέρουν δεδομένα που υποστηρίζουν μια πολύ απλούστερη εξήγηση:Οι επιστήμονες απλώς υπερεκτιμούν τον αριθμό των νετρίνων που γεννήθηκαν από τους διάφορους ραδιενεργούς πυρήνες που παράγονται στη σχάση ενός συστατικού του τυπικού πυρηνικού καυσίμου.
Το πείραμα του Κόλπου Daya περιλαμβάνει έξι ανιχνευτές σε τρία σμήνη, όλα σε απόσταση 1,9 χιλιομέτρων από έξι πυρηνικούς αντιδραστήρες που λειτουργούν. Οι φυσικοί μελετούν τα αντινετρίνα από τους πυρήνες του αντιδραστήρα και το 2012 ανέφεραν τη μέτρηση μιας βασικής παραμέτρου στη διαμόρφωση των νετρίνων.
Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας αντλεί ισχύ από τη σχάση τεσσάρων διαφορετικών ατομικών πυρήνων:ουράνιο-235, ουράνιο-238, πλουτώνιο-239 και πλουτώνιο-241. Αυτοί οι πυρήνες χωρίζονται τυχαία για να κάνουν μυριάδες ελαφρύτερους πυρήνες. Έτσι, για παράδειγμα, το ουράνιο-235 μπορεί να διασπαστεί για να δημιουργήσει το κρυπτόν-89. Το πλούσιο σε νετρόνια κρυπτόν-89 θα διασπαστεί στη συνέχεια το β επανειλημμένα για να σχηματίσει ρουβίδιο-89, στρόντιο-89 και ύττριο-89, φτύνοντας ένα αντινετρίνο σε κάθε βήμα. Έτσι, κάθε τύπος σχάσιμου πυρήνα δημιουργεί μυριάδες άλλους πυρήνες που φτύνουν αντινετρίνα. Και οι φυσικοί έχουν μετρήσει το συνολικό φάσμα των αντινετρίνων που προέρχεται από καθένα από τα τέσσερα βασικά ισότοπα.
Είναι κρίσιμο, οι σχετικές ποσότητες των τεσσάρων σχάσιμων ισοτόπων αλλάζουν καθώς ένας αντιδραστήρας καταναλώνει το καύσιμο του. Το καύσιμο ξεκινά ως ένα μείγμα ισοτόπων ουρανίου και τα ισότοπα πλουτωνίου «αναπαράγονται» στη θέση τους. Έτσι, κατά τη διάρκεια ζωής του καυσίμου -περίπου 18 μήνες- η ποσότητα του ουρανίου-235 μειώνεται. Μετρώντας το φάσμα των αντινετρίνων και γνωρίζοντας τα κλάσματα του ουρανίου-235 στους πυρήνες, οι φυσικοί του Daya Bay μπόρεσαν να δείξουν ότι το υποτιθέμενο έλλειμμα στον αριθμό των αντινετρίνων ανεβαίνει και μειώνεται με την ποσότητα ουρανίου-235, αναφέρουν στο μια προεκτύπωση που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή arXiv.
Αυτό είναι λογικό εάν οι φυσικοί υποτιμούν τον αριθμό των αντινετρίνων από τη διάσπαση του ουρανίου-235, λέει ο Huber. Αλλά δεν θα είχε νόημα εάν η επίδραση προκλήθηκε από τα ηλεκτρονικά αντινετρίνα που μεταμορφώνονται σε στείρα, οπότε το έλλειμμα θα πρέπει να είναι σταθερό με την πάροδο του χρόνου, εξηγεί. "Το αποτέλεσμα του Daya Bay σαφώς δεν ευνοεί την ερμηνεία ενός στείρου νετρίνου."
Ωστόσο, τα νέα αποτελέσματα αφήνουν τους φυσικούς με ένα μυστήριο:Γιατί είναι τόσο κακές οι εκτιμήσεις τους για τα αντινετρίνα που προέρχονται από το ουράνιο-235; "Αυτό είναι σίγουρα το ερώτημα των εκατομμυρίων δολαρίων", λέει ο Kam-Biu Luk, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και συν-εκπρόσωπος της ομάδας Daya Bay.
Ο Huber λέει ότι δεν είναι έτοιμος να εγκαταλείψει την ιδέα ενός στείρου νετρίνου. Στην πραγματικότητα, λέει, οι περισσότερες θεωρητικές ιδέες για το πώς τα νετρίνα παίρνουν τις μικροσκοπικές, αλλά όχι εντελώς μηδενικές μάζες τους, υποθέτουν ότι τα στείρα νετρίνα πρέπει να υπάρχουν - ωστόσο, θα μπορούσαν να είναι τεράστιας μάζας και έτσι δεν θα μοιάζει με το στείρο νετρίνο που υπαινίσσεται μέχρι τώρα. «Είμαι ακόμα στο φράχτη» για τα αποστειρωμένα νετρίνα, λέει ο Huber. "Κάθε 2 χρόνια έρχεται ένα αποδεικτικό στοιχείο που δείχνει με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά δεν είναι ποτέ καθοριστικό."
