Jedna od najvećih temeljnih misterija svemira jest zašto uopće postoji nešto umjesto ničega. Prema teoriji Velikog praska, koja objašnjava postanak našeg svemira, trebao je nastati jednak broj čestica materije i antitvari (koje su slične materiji, ali imaju suprotan električni naboj). Problem je u tome što se, kad se te dvije čestice susretnu, međusobno uništavaju. Stoga, jedini način da nastanu strukture poput zvijezda, planeta, mjeseca, pa čak i naših tijela, bio je masivan nesrazmjer između materije i antitvari.
Ova neravnoteža još uvijek postoji danas, pri čemu materija nadmašuje antitvar omjerom od oko milijardu prema jedan. Znanstvenici očajnički žele saznati koji je mehanizam u ranom svemiru doveo do ove dominacije materije. Kako prenosi Popular Mechanics, dosad su promatrali kršenje simetrije između materije i antitvari samo na vrlo malim razinama – nigdje dovoljno velikim da objasne ovu razliku. Štoviše, eksperimenti tijekom posljednjih nekoliko desetljeća pokazali su da zakoni svemira ne tretiraju čestice materije i antitvari jednako.
Jedna obećavajuća metoda za istraživanje ove neravnoteže jest hvatanje “kozmičkih duhova” – neutrino čestica, i proučavanje njihovog ponašanja kao i ponašanja njihovih antiparova. Kako bi to postigli, znanstvenici moraju svoj “lov na duhove” i sofisticirane detektore smjestiti duboko pod zemlju.
Međunarodni znanstveni megaprojekt DUNE
U Sanfordovom podzemnom istraživačkom centru, kilometar ispod Leada, u Južnoj Dakoti, smješten je Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), međunarodni znanstveni “megaprojekt” osmišljen kako bi objasnio zašto materija dominira svemirom – i kako je naš svemir nastao. Potpuno operativan trebao bi postati 2028. godine.
Istraživanjem prirode materije, DUNE bi također mogao pomoći u otkrivanju fundamentalne sile koja objašnjava sve fizičke sile u svemiru, približavajući nas ostvarenju sna Alberta Einsteina o jedinstvenoj teoriji koja povezuje fiziku subatomskih čestica s fizikom kozmičkih razmjera.
Neutrini: Kozmički duhovi
Neutrini potječu iz izvora poput Sunca i eksplozija supernova masivnih zvijezda. Od Velikog praska, kreću se svemirom gotovo brzinom svjetlosti, djelujući kao kozmički glasnici koji prenose informacije o udaljenim i moćnim kozmičkim događajima i objektima. Neutrini dolaze u tri “okusa” – elektronski, mionski i tau neutrini – i kako im masa (jedva) raste, mogu se svrstati u tri generacije ovih okusa. Kao i druge čestice u svijetu čestica, svi neutrini imaju antipar – “antineutrino“.
Njihova gotovo nepostojeća masa i nepostojanje električnog naboja znače da čak i gusti materijali poput nehrđajućeg čelika za neutrine izgledaju kao golemi prazni prostor. To ih čini vrlo teškima za detekciju i mjerenje.
Kako znanstvenici detektiraju neutrine
Ok, kako ih onda detektriamo? Kako bi prevladali ovaj izazov, znanstvenici moraju izolirati neutrine od “buke” drugih čestica. Uz podzemne detektore poput DUNE-a, neutrine prolaze kroz ogromne spremnike tekućine dok ulaze u Zemlju iz okolnog svemira. Znanstvenici detektiraju neutrine kroz njihove rijetke interakcije s materijalnim česticama u tekućini, koja može biti teška voda, klor ili galij – ili u slučaju DUNE-a, argon.
Intenzivna zraka trilijuna neutrino čestica započinje 1300 kilometara dalje u Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), dijelu Fermilaba u gradu Batavia, u državi Illinois. To je laboratorij koji koristi akcelerator čestica za stvaranje zrake visokih energetskih protona, pozitivno nabijenih čestica koje se obično nalaze u jezgrama atoma. Taj proces stvara posebne čestice, nazvane pioni i kaoni, koje se pomoću magneta usmjeravaju u 193 metra dugu cijev. U toj cijevi pioni i kaoni se raspadaju, stvarajući neutrine. Neutrini zatim putuju ravno kroz Zemlju do detektora u DUNE-u, a cijelo putovanje traje samo 4 milisekunde.
DUNE koristi ovaj umjetno stvoreni izvor neutrina umjesto prirodnih neutrina iz svemira jer znanstvenici trebaju vrlo precizan uzorak neutrino i antineutrino čestica za svoje eksperimente. “Razlika u ponašanju neutrino i antineutrino čestica u interakciji s materijom je vrlo mala. To se ne može vidjeti s prirodnim izvorima neutrina,” objašnjava dr. Francesco Pietropaolo, istraživač u CERN-u i član tima koji radi na DUNE-u.
Detaljno proučavanje interakcija neutrina
Neutrino česticama je potreban prostor da bi ‘pokazale svoje osobine’. Znanstvenici koriste dodatni, manji detektor smješten samo trećinu kilometra od izvora zrake. Kako bi provjerili postoji li neravnoteža između materije i antitvari, Pietropaolo objašnjava da se različiti “okusi” i “obitelji” ovih čestica moraju miješati i “komunicirati” međusobno. To znači da stvaraju neutrino čestice sa specifičnim svojstvima i omogućuju im da se šire i potencijalno mijenjaju u druge vrste. “Moramo im dopustiti da se šire na veliku udaljenost,” dodaje Pietropaolo. “Zato se detektor mora nalaziti daleko od izvora zrake kako bismo mogli proučavati različite neutrine.”
Ova točno određena udaljenost prilagođena je za maksimalno proučavanje neutrina. Zraka nije samo udaljena, već je i izuzetno snažna, s energijom od oko jednog megavata, što je dovoljno za napajanje 1.000 prosječnih kućanstava.
Korištenje tekućeg argona
Ono što DUNE zaista izdvaja od drugih međunarodnih projekata za proučavanje fizike neutrina jest njegova upotreba tekućeg argona, materijala s kojim je teško raditi. U usporedbi s vodom, tekući argon pruža mnogo jasniju sliku interakcija između neutrina i obične materije. Kada zraka neutrino čestica stigne do DUNE-a, susreće četiri spremnika smještena na dubini od 1.478 metara ispod Zemlje, od kojih svaki sadrži 17 kilotona tekućeg argona.
Kada neutrini udare u atomske jezgre argona, ti atomi postaju ionizirani, što znači da oslobađaju negativno nabijene čestice – elektrone. Oslobođeni elektroni mogu se slobodno kretati kroz argon i, dok to čine, oslobađaju još više elektrona, ostavljajući trag. Znanstvenici mogu taj trag pretvoriti u detaljnu 3D sliku. “Doslovno možete vidjeti što se događa u tekućem argonu. Gledate slike koje stvaraju sami neutrini,” objašnjava Pietropaolo.
Iako su i drugi eksperimenti s neutrino česticama prije DUNE-a koristili tekući argon, oni su bili mnogo manji. Ambiciozna skala DUNE-a – uključujući održavanje tekućeg argona na izuzetno niskih -184 stupnjeva Celzijusa i iskopavanje više od 800.000 tona stijene – zahtijevala je tri desetljeća pomnog planiranja i eksperimentiranja.
Čak i uz snagu Fermilabove megavatne zrake neutrina i preciznost koju omogućava tekući argon, DUNE će morati raditi kontinuirano nekoliko godina kako bi podržao učinkovito istraživanje. Srećom, očekuje se da će DUNE moći prikupljati podatke barem sljedećih 20 godina. Zahvaljujući ovoj moćnoj tehnici, kada DUNE postane potpuno operativan, znanstvenici bi mogli otkriti jesu li neutrino čestice razlog zašto je svemir uglavnom sastavljen od materije – ključne informacije koje bi mogle rasvijetliti istinu o stvaranju našeg svemira.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
