TEMA BROJA

Pripremio: Milan S. Dimitrijević

OD ZAGONETKE SUNČEVIH NEUTRINA DO MISTERIJE KOSMIČKIH ZRAKA
Glasnici iz kosmosa

Milan S . Dimitrijević , na Pariskoj opservatoriji u Medonu, pored jednog od detektora Čerenkovljevog zračenja

Naučnici vole misterije jer rešavanje jedne zagonetke veoma često rađa novu, još uzbudljiviju. Tako je uvod, koji je otvorio perspektivu za odgovor na pitanja odakle dolaze kosmički zraci izuzetno visokih energija, šta ih stvara i od kojih čestica se sastoje, bila jedna druga tajna - tajna Sunčevih neutrina i njeno odgonetanje .

Nobelova nagrada za fiziku dodeljena je 2002. godine za otkrića koja su postavila temelj nove astronomske discipline - neutrinske astronomije , koja nam daje mogućnost da zavirimo u jezgro naše zvezde - Sunca. Nju su podelili Rejmond Dejvis, iz Filadelfije ( SAD ), i Masatoši Košiba, iz Tokija, za "pionirski doprinos astrofizici a posebno za otkriće kosmičkih neutrina".

Danas, osim tradicionalnih fotona, neutrini , protoni izuzetno visokih energija, pa i gravitacioni talasi, postaju “astronomski glasnici iz kosmosa.” Čemu astronomija tako velikih energija sa neutrinima ili protonima uprkos znatnim tehničkim problemima i skupoj opremi? Jedan od osnovnih razloga je što Univerzum nije providan za fotone čije su energije reda hiljadu milijardi elektron volta, odnosno hiljadu GeV (1 Giga elektron volt je milijardu elektron volti ). ili veće. Na primer, fotoni takvih energija ne mogu da nam prenesu informaciju iz izvora sa ruba naše galaksije, ili još udaljenijeg , pošto će biti uništeni u reakciji sa mikrotalasnim fotonima kosmičkog pozadinskog zračenja , pre nego što stignu do teleskopa, ili apsorbovani u infracrvenoj oblasti ili na radio području. Jedino neutrini mogu da stignu čak sa ruba Univerzuma bez ikakvih smetnji. Oni do nas dolaze i iz unutrašnjosti astrofizičkih objekata, upravo iz oblasti u kojima se stvara energija . Da bismo posmatrali nebeska tela iznutra i dobili sliku kosmosa ultra visokih energija, potrebne su nam, kao glasnici takvih procesa, čestice koje su električno neutralne, tako da na njihove putanje ne utiče magnetno polje, i koje slabo interaguju pa prodiru kroz oblasti koje su neprovidne za fotone. Neutrini su najbolji kandidati za takvu svrhu .

Superkamiokande detektor neutrina . Pogled na spoljašnji zid sa 9000 fotomultiplikatora i vrh

Prema teoriji, sa Sunca treba da dolazi ogroman broj neutrina koji se stvaraju u termonuklearnim reakcijama u njegovom jezgru. Svake sekunde, kroz naše telo prođu hiljade milijardi ovih čestica nastalih u Sunčevim nedrima, a da to niko ne primeti. Za njih ni cela naša planeta nije nikakva prepreka. Razlog je što one interaguju vrlo slabo sa materijom, tako da će samo jedan od hiljadu milijardi biti zaustavljen prilikom prolaska kroz planetu Zemlju.

Nedostajuća masa Univerzuma

U kasnim pedesetim, Rejmond Dejvis je bio jedini naučnik koji se usudio da pokuša da dokaže postojanje Sunčevih neutrina. Početkom šezdesetih on je postavio tank sa 615 t tetrahloretilena u stari napušteni rudnik zlata u Južnoj Dakoti . Proračunao je da će sa atomima hlora u tanku svakog meseca reagovati oko 20 neutrina, što će stvoriti 20 argonovih atoma. Dejvis je razradio pionirski metod za njihovo izdvajanje i brojanje. On je kroz tečni tetrahloretilen propuštao helijum za koji su se oni pripajali. Njegov poduhvat slikovito je opisan “kao pokušaj da se u celoj Sahari nađe jedno određeno zrnce peska”. Ovaj eksperiment izvođen je do 1994. i izdvojeno ih je oko dve hiljade. Taj broj bio je neočekivano mali - samo jedna trećina od predviđenog. Kontrolnim eksperimentima Dejvis je pokazao da je “pohvatao” sve argonove atome iz tanka. Zaključak je bio ili da je standardni model Sunca pogrešan, ili da se deo neutrina negde gubi na svome putu ka Zemlji, ili da su termonuklearne reakcije u jezgru Sunca počele da slabe .

Rođena je misterija Sunčevih neutrina, koja je temeljito uzdrmala svet astronomije i fizike. Da li su naše predstave o tome šta se odigrava u nedrima naše zvezde potpuno pogrešne? Da li je ona počela da se gasi? Tim pitanjima bavili su se i naši naučnici, koji su predložili da naslage minerala lorandita u Makedoniji posluže kao zamka za neutrine sa Sunca (lično sam učestvovao na konferenciji u Vinči posvećenoj ovoj zagonetki ).

Japanski fizičar Masatoši Košiba konstruisao je detektor sličan Dejvisovom, koji je nazvao Kamiokande, i postavio ga u jedan rudnik u Japanu. Detektor je bio ogroman tank ispunjen vodom. Retka reakcija neutrina sa jezgrom atoma, oslobađa elektron i fotone, koje hvataju okolo postavljeni fotomultiplikatori. Košiba je u svom eksperimentu došao do istog rezultata kao i Dejvis. Za razliku od njega, Košiba je mogao da registruje vreme događaja i pravac odakle čestice dolaze, tako da je bio u stanju da dokaže da je izvor detektovanih neutrina zaista Sunce, što je obeležilo rađanje nove naučne discipline – neutrinske astronomije .

Nobelovska diploma

Na Kamiokande detektoru ,Košiba je februara 1987. uspeo da “uhvati” 12 neutrina nastalih eksplozijom supernove 1987 A, 170 000 svetlosnih godina daleko u Velikom Magelanovom oblaku, galaksiji koja je sused Mlečnom putu. Izračunato je da je sa te zvezde kroz detektor prošla prava bujica od deset triliona neutrina od kojih je registrovano samo 12.

Da bi povećao osetljivost svoga uređaja, Košiba je 1996. konstruisao još veći detektor, Super - Kamiokande. Pomoću njega otkrio je potpuno novu pojavu – oscilacije neutrina tokom kojih jedna vrsta ovih zagonetnih čestica prelazi u drugu. Naime, postoje tri oblika, ili kako fizičari kažu “ukusa”: elektronski, mionski i tau neutrino. Košiba je na Super - Kamiokandeu ustanovio da mionski neutrini iz “pljuska” kosmičkih zraka mogu da menjaju “ukus”, odnosno da jedna vrsta ovih čestica prelazi u drugu . To je moguće samo ako im masa nije nula, kako se do danas smatralo. Tako je “neutrinski teleskop” Super - Kamiokande, namenjen istraživanju Sunca i drugih kosmičkih objekata u kojima se stvaraju ove čestice, doveo i do velikog otkrića u “mikrokosmosu” fizike elementarnih čestica, koje može imati izuzetni značaj i za kosmologiju , pošto bi neutrini u tom slučaju mogli da objasne i do 20 procenata nedostajuće mase Univerzuma, još jedne velike astronomske misterije koju je nauka drugog milenijuma ostavila trećem . Osim toga, oblaci neutrina koji imaju masu mogli su da postanu centri gravitacionog okupljanja materije i da dovedu do nastanka prvih zvezda i galaksija. Studije i istraživanja sa ciljem da potvrde ili ospore teoriju oscilacija neutrina danas se obavljaju u mnogim laboratorijama širom sveta.

Tajna kosmičkih zraka

Neutrinski teleskop, sličan Košibinom, izgrađen je u Sadberiju, u Ontariju, u Kanadi, 2 km ispod zemlje, u rudniku nikla. Centralna sfera napravljena od providne plastike sadrži hiljadu tona teške vode, u kojoj, za razliku od Kamiokandea gde je medijum voda, i Dejvisovog detektora, gde je to tetrahloretilen, mogu da se registruju neutrini sva tri “ ukusa ”. Sfera je okružena sa 9600 velikih fotomultiplikatora, koji analiziraju slabašne bljeskove svetlosti nastale zbog interakcije neutrina sa teškom vodom. Neutrinska opservatorija je zaštićena od kosmičkih zraka sa 2 km stena iznad a od drugih oblika zračenja sa 7000 t izuzetno čiste vode, raspoređenih oko nje. To je pomoglo da se odgonetne tajna Sunčevih neutrina. Osamnaestog juna 2001. godine, grupa od oko sto naučnika iz Sadberija, objavila je da je ustanovila zašto nam je izgledalo da Sunce emituje samo trećinu predviđenog broja ovih čestica. Iz standardnog Sunčevog modela sledilo je da od tri “ukusa” naša zvezda u svome jezgru proizvodi samo elektronske neutrine. Dejvisov i Košibin detektor nisu bili osetljivi na ostala dva “ukusa” ali to nije smatrano značajnim pošto se pretpostavljalo da se u unutrašnjosti Sunca oni ne stvaraju. Otkriće njihovih oscilacija nagovestilo je rešenje ali je grupa u Sadberiju dala i eksperimentalnu potvrdu. Istraživanja su počela 1999. godine. Oko deset neutrina dnevno interaguje sa teškom vodom i daje dokaz o svome prisustvu veoma slabim bljeskovima u njoj. Od 1999. do objavljivanja rezultata registrovano je više od 1100 neutrina, dovoljno da se dobije rešenje zagonetke. Ustanovljeno je da se nuklearne reakcije u centru Sunca odvijaju upravo onako kako treba da bude, i daju očekivani broj elektronskih neutrina, ali neki od njih na putu prema Zemlji promene “ukus”. Tim iz Sadberija je upoređivao svoje rezultate sa rezultatima dobijenim pomoću Super - Kamiokandea u običnoj vodi. Kombinacija dva eksperimenta sa različitim osetljivostima na pojedine “ukuse” jasno je pokazala da se “nedostajući” neutrini menjaju u manje vidljive “ukuse” pre nego što stignu na Zemlju , što takođe objašnjava zašto Dejvis nije detektovao onu količinu koju je očekivao .

Neutrinski teleskop u Sadberiju, u Ontariju u Kanadi, dva kilometra ispod zemlje, u rudniku nikla. Centralna sfera, napravljena od providne plastike, sadrži hiljadu tona teške vode. Ona je okružena sa 9600 velikih fotomultiplikatora, koji analiziraju majušne bljeskove svetlosti nastale zbog interakcije neutrina sa teškom vodom. Neutrinska opservatorija je zaštićena od kosmičkih zraka sa dva kilometra stena iznad nje a od drugih oblika zračenja sa 7000 tona izuzetno čiste vode

Rezultati Dejvisa i Košibe stvorili su osnove za razvoj neutrinske astronomije, koja je od značaja i za rešavanje jednog od najstarijih problema u modernoj astronomiji, tajne kosmičkih zraka. Otkrio ih je 1912. Viktor Hes leteći balonom, ali ni gotovo sto godina kasnije ne znamo kako i gde nastaju oni čije su energije ekstremno visoke, niti kakve čestice sadrže. Sudari sa fotonima pozadinskog mikrotalasnog zračenja, koje je vidljivi ostatak prve prasvetlosti, kada je, hladeći se, kosmos trista hiljada godina posle Velikog praska prešao iz jonizovanog u neutralno stanje, ograničavaju energiju onih čiji je izvor dalji od sto miliona svetlosnih godina na pedest jedinica kojima se služe njihovi istraživači. Da bismo ušli u taj svet, moramo usvojiti odgovarajuću mernu jedinicu. To je eksa elektron volt (1 EeV ) koji iznosi milijardu milijardi (što je jedinica sa osamnaest nula) običnih elektron volti. Znači, granična energija za kosmičke zrake čiji je izvor dalji od sto miliona svetlosnih godina, što su otprilike dimenzije našeg lokalnog superjata galaksija, iznosi 50 EeV što, kao izvore čestica većih energija, isključuje najmoćnije akceleratore u vasioni kao što su kvazari ili izvori gama bljeskova. To je takozvana Grajzen - Kuzmin - Zacepinova granica. Ipak kosmički zraci sa česticama većih energija posmatrani su mnogo puta.

Tako je oktobra 1991 detektovan događšaj sa energijom 300 EeV. Ovaj događaj i sličan iz Jakutska, maja 1989, sa procenjenom energijom od 200 EeV su bili sa najvećim do tada viđenim energijama kod ove pojave .

Na EeV energijama od 50 EeV i većim postaje veoma zanimljiva i protonska astronomija, pošto naelektrisane čestice kosmičkih zraka više ne ometa magnetno polje u našoj galaksiji i oni pokazuju pravac svoga izvora sa velikom preciznošću. Eksperimentalno uočljivi “potpis” kosmičkih čestica ekstremno visokih energija je “pljusak” elementarnih čestica izazvan njihovim prolaskom. Otkrio ga je 1938. godine Pjer Ože, čije ime nosi Opservatorija za visokoenergetske kosmičke zrake koja se gradi u Argentini, koristeći dva međusobno udaljena detektora postavljena visoko u Alpima. “Pljusak” može da se registruje: a) posmatrajući elektromagnetsku komponentu i komponentu teških čestica pomoću niza detektora kakvi su naprimer scintilatori; b) detektujući fluorescentno svetlo koje emituje atmosferski azot pobuđen prolaskom “pljuska” čestica; c) detektujući Čerenkovljevo zračenje koje nastaje kada čestica ima brzinu veću od brzine svetlosti u datoj sredini, što predstavlja neku vrstu elektromagnetnog pandana proboju zvučnog zida; d) detekcijom miona i neutrina. Uređaji i metodi koje su razradili Košiba i Dejvis umnogome su doprineli razvoju i unapređenju postupaka za istraživanje ovakvih «pljuskova» čestica .

Ako Ajnštajnova teorija ...

Šema neutrinskog teleskopa “Kocka leda” , veličine jedan kubni kilometar, na Južnom polu. U okviru ovog projekta predviđeno je da 4800 fotomultiplikatora bude raspoređeno u 80 nizova .

Prvi eksperimenti su pokazali da su kosmički zraci sa energijama iznad 10 EeV vangalaktičkog porekla i da njihove energije mogu biti i veće od 100 EeV. Gde se oni u takvoj meri ubrzavaju? Mašta teoretičara ukazuje na izuzetno guste oblasti u kojima ekstremne gravitacione sile stvaraju mlazeve relativističkih čestica, kao što su gusta jezgra eksplodirajućih zvezda ili materija koja “uvire” u supermasivne crne rupe u centrima aktivnih galaksija. Glavni kandidati za izvore kosmičkih zraka energije 100 EeV su najbliža aktivna galaktička jezgra, udaljena reda veličine 100 Mpc , sa crnim rupama od milijardu Sunčevih masa. Svi eksperimentalni rezultati ukazuju da su ovi zraci najverovatnije protoni možda sa primesom jezgara lakih atoma. Ipak, već pomenuti Grajzen-Kuzmin- Zacepinov ( GZK ) uslov postavlja granicu za providnost Univerzuma u slučaju čestica sa energijama većim od 50 EeV. Postoje tri moguća rešenja ove zagonetke. a ) protoni se ubrzavaju u izvorima koji su relativno blizu nas; b ) oni početno, u stvari , imaju daleko veće energije; c ) kosmički zraci najvećih energija, u stvari . nisu protoni . Egzotične teorije obuhvataju hipotetičke vimp čestice (početna slova engleskog izraza « slabo interagujuće masivne čestice ») ili druge nepoznate koje čine tamnu materiju , topološke defekte iz ranog Univerzuma kao što su kosmičke strune i - ograničenja Ajnštajnove teorije relativnosti .

Naime jedan od njenih stubova je pretpostavka da su zakoni fizike isti za eksperiment koji se odvija u nepokretnom koordinatnom sistemu i pokretnom, dogod se kreće istom brzinom, tj. bez ubrzavanja i usporavanja. To je takozvana Lorencova invarijantnost, nazvana po holandskom fizičaru čiji su rezultati bili jedna od preteča teorije koja je obeležila 20. vek. Ako su za pokretne sisteme zakoni fizike malo drukčiji, može se zamisliti scenario u kome, pri sudaru sa fotonom mikrotalasnog pozadinskog zračenja, kosmički zrak ne gubi energiju nego se prosto odbije. Ako su kosmički zraci ultravisokih energija protoni i pokaže se da GZK granica postoji, dokazali smo da Lorencova invarijantnost odnosno Ajnštajnova teorija relativnosti važi do energija reda 100 EeV (sto milijarda milijardi elektron volta). Ako GZK granice nema, uočiće se nedostatak Ajnštajnove teorije koji će otvoriti put novoj misteriji i novom proboju u našem poimanju Univerzuma.

Ako Ajnštajnova teorija bude spasena, postoji i druga zanimljiva pretpostavka, da kosmički zraci nastaju kada se čestica tamne materije iznenada raspadne. Ako se pokaže da je to istina, otvara se put ostvarenja velikog sna, mogućnost da astronomi posmatraju zagonetnu tamnu materiju .

Skeniranje atmosfere odozgo

Tajna prirode kosmičkih zraka i mehanizma njihovog ubrzanja inspirisala je opšti napor da se novim posmatračkim tehnikama ova zagonetka reši a prvi korak je dala neutrinska astronomija .

Na Južnom polu , počeo je 1997. da radi neutrinski teleskop AMANDA - B 10, koji se sastojao od 302 optička modula postavljena u ledu na dubinu od 1500 do 2000 m. Nastavak je projekat “Kocka leda” takodje na ovom mestu. Predviđeno je da 4800 fotomultiplikatora bude rasporedjeno u 80 nizova među kojima je razmak 125 m a ukupna površina celog uređaja je oko 1 km2. Neutrinski teleskop je u ledu na dubini od 1,4 do 2,4 km tako da mu je ukupna veličina jedan kubni kilometar .

Da bi se iskoristile i druge dve pomenute mogućnosti za posmatranje tragova prolaska kosmičkih zraka , fluorescentnog svetljenja atmosferskog azota i Čerenkovljevog zračenja usled prolaska čestice koja ima brzinu veću od brzine svetlosti u datoj sredini, u argentinskim pampasima se gradi «Pjer Ože» opservatorija za detekciju visokoenergetskih kosmičkih zraka, projekat vredan 50 miliona dolara, u kome učestvuje 17 zemalja sa timom od oko 200 naučnika , gde je uključena i Pariska opservatorija u Medonu . Na 3000 kvadratnih kilometara raspoređeno je 430 detektora za fluorescenciju i 1600 za Čerenkovljevo zračenje. Dva metoda se dopunjuju tako da će se dobiti informacija o pravcu iz koga dolaze i energiji kosmičkih zraka koji su izazvali « pljusak » čestica u atmosferi. Predviđena je i izgradnja slične severne opservatorije u Koloradu, da bi se pokrile i južna i severna polulopta .

Kao nastavak , već se predlaže kosmička misija od dva satelita koja će skenirati atmosferu odozgo, u potrazi za znacima azotne fluorescencije izazvane visokoenergerskim kosmičkim zracima, sa mogućnošću da detektuju i do hiljadu ovakvih događaja godišnje. Postoje planovi da se za ovakva posmatranja iskoristi i međunarodna kosmička stanica .

Sa posmatračkim mogućnostima koje brzo rastu nadajmo se da će, gotovo sto godina posle njihovog otkrića, tajna kosmičkih zraka biti odgonetnuta. Rešenje će svakako razotkriti neočekivana svojstva možda nepoznatog nebeskog objekta, predstavljati veliko iznenađenje u fizici elementarnih čestica ili najaviti eksperimentalno merljivo ograničenje Ajnštajnove teorije relativnosti .

Milan S . Dimitrijević