Neutriino: Alkeishiukkanen

Neutriinon massa on hyvin pieni, mutta on todistettu ettei se ole täysin massaton, kuten aiemmin luultiin. Neutriinoa ei tule sekoittaa neutroniin.

Neutriino
Symboli	${\displaystyle v_{e}}$, ${\displaystyle v_{\mu }}$, ${\displaystyle v_{\tau }}$
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Fermioni
Ryhmä	Leptoni
Vuorovaikutus	Painovoima Heikko vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti	1930, Wolfgang Pauli
Löydetty	1956, Frederick Reines ja Clyde Cowan
Massa	arvioitu massa 0,320 ± 0,081 eV
Elinaika	pysyvä
Sähkövaraus	0 e
Spin	½
Infobox OK

Beetahajoamisessa (-) neutroni ${\displaystyle \scriptstyle n}$  hajoaa protoniksi ${\displaystyle \scriptstyle p}$ , elektroniksi ${\displaystyle \scriptstyle e}$  ja antineutriinoksi ${\displaystyle \scriptstyle {\bar {\nu }}}$ :

${\displaystyle n\rightarrow p+e+{\bar {\nu }}}$ .

Ennen neutriinon löytämistä näytti siis siltä, että beetahajoamisessa neutroni hajoaa vain protoniksi ja elektroniksi ${\displaystyle \scriptstyle n\rightarrow p+e}$ . Tällöin liikemäärä reaktiossa ei vaikuttanut säilyvän, sillä elektronin energiaspektri oli jatkuva. Vuonna 1930 Wolfgang Pauli päätteli, että beetahajoamisessa on synnyttävä myös kolmas hiukkanen, joka on sähköisesti neutraali ja jakaa energian elektronin kanssa, mikä mahdollisti elektronin jatkuvan energiaspektrin. Tätä hiukkasta kutsutaan nykyään neutriinoksi.

Kauan vaikutti siltä, ettei tätä "haamuhiukkasta" koskaan saada todennettua, mutta sitten oivallettiin, että ydinreaktorissa pitäisi teorian mukaan syntyä niin suuret määrät neutriinoja, että kokein oli mahdollista havaita niistä osa. Ensimmäisen havainnon niistä tekivät Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse ja A. D. McGuire vuonna 1956. Tästä havainnosta Reinesille myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1995.

Neutriinot tulevat esiin valtavien klooripitoisten pesuainemäärien avulla, joissa silloin tällöin muuttuu klooriatomi neutriinon vaikutuksesta argonatomiksi. Nämä argonatomit voidaan kaapata talteen atomi atomilta. "Saalis" on tyypillisesti yksi argonatomi päivässä suuresta tankista seulottuna.

Myöhemmin huomattiin neutriinoja olevan kolmea eri tyyppiä (eli makua): elektronin neutriinoita, myonin neutriinoita ja taun neutriinoita.

Käytännössä neutriinot havaitaan laboratoriossa suurilla laitteilla tai suurilla neutriinovirroilla, joita esiintyy fissioydinvoimaloissa ja joita voidaan synnyttää hiukkaskiihdyttimillä.

Neutriinot ovat erittäin läpitunkevia mutta vaarattomia alkeishiukkasia. Niillä ei ole sähkövarausta, joten niihin ei voida vaikuttaa magneetti- tai sähkökentillä ja painovoimankin vaikutus on mitätön. Koska neutriino tuntee vain heikon vuorovaikutuksen, neutriinot läpäisevät melkein kaiken aineen. On arvioitu, että vasta valovuoden paksuinen lyijyseinä kykenisi pysäyttämään puolet läpikulkevista neutriinoista. Neutriinoa ei voida havaita suoraan, mutta siitä voidaan tehdä havaintoja tutkimalla sen aiheuttamassa reaktiossa syntyneitä hiukkasia.

Yksi keino havaita neutriinoja on tutkia sen aiheuttamaa^lähde? vuorovaikutusta; neutriinot vuorovaikuttavat aineen kanssa heikon vuorovaikutuksen kautta. Vuorovaikutuksen välittäjähiukkasina ovat W- ja Z-bosonit. Varattujen W-bosonien välittämiä reaktioita kutsutaan varattujen virtojen välittämiksi reaktioiksi, ja varauksettoman Z-bosonien välittämiä reaktioita neutraalin virran välittämiksi reaktioiksi (aivan kuten Kvanttisähködynamiikassa (QED < engl. Quantum electrodynamics), jonka välittäjähiukkasena toimii fotoni)^selvennä. Varatun virran kokevat ainoastaan elektronin neutriinot ja niiden antineutriinot, kun taas neutraalin virran kokevat kaikki neutriinot.

Toinen tapa havaita neutriinoita perustuu siihen, että neutriinon törmätessä vesimolekyyliin, irrottaa se molekyylistä elektronin. Elektroni voi tällöin edetä vedessä - väliaineessa - valonnopeutta suuremmalla nopeudella aiheuttaen Tšerenkovin säteilyä, joka voidaan havaita. Tällaista menetelmää käyttää ainakin japanilainen Super Kamiokande -ilmaisin, joka koostuu vesitankista ja valomonistinputkista, sekä Etelänapamantereella sijaitseva IceCube-ilmaisin.

Neutriinoja voidaan havaita myös radiokemiallisella menetelmällä käyttäen havaintoaineena esimerkiksi tetrakloorieteeniä (${\displaystyle {\ce {C_2Cl_4}}}$ ). Osuessaan klooriyhdisteeseen neutriino muuttaa klooriatomin argoniksi ja vapauttaa elektronin:

${\displaystyle {\ce {^{37}Cl + \nu -> ^{37}Ar + e^-}}}$ .

Syntynyt argon on radioaktiivinen, jonka perusteella se voidaan havaita. Myös litiumia ja galliumia voidaan käyttää kloorin sijasta.

Auringossa pitäisi fuusioreaktiossa syntyä tietty määrä neutriinoja, mutta pitkän aikaa neutriinoilmaisimet havaitsivat vain murto-osan (1/4–1/3) odotetusta määrästä. Japanilaisten Tšerenkovin säteilyyn perustuvalla vesitäytteisellä Kamiokande-ilmaisimella tehdyissä mittauksissa saatiin neutriinovuoksi puolet odotetusta.

Kanadalaiset ja monet muut rakensivat taas uudentyyppisen ilmaisimen joka perustuu gallium-germanium-muutoksiin, joissa neutriino muuttaa harvakseltaan gallium-atomeja germanium-atomeiksi. Tällä menetelmällä havaittiin puolet odotetusta neutriinomäärästä.

Neutriino-oskillaatio

Nyt oli tullut selväksi, että joko Auringon malli tai neutriinomallin oletus on väärä. Arveltiin, että neutriino vaihtaa tyyppiään matkalla Auringosta Maahan, esimerkiksi siten, että elektronin neutriino muuttuu taun neutriinoksi. Tällöin ainoastaan elektronin neutriinot havaitseva kammio ei havaitse odotettua määrää neutriinoita tämän neutriino-oskillaatioksi kutsutun ilmiön takia.

Tässä mallissa neutriinojen makutilat eivät ole toisistaan riippumattomia, vaan ovat kombinaatioita massatiloista. Tällöin neutriinojen makutilat esiintyvät havaintohetkellä tiettynä kombinaationa. Matemaattisesti voidaan makutilat esittää massatilojen kombinaationa

${\displaystyle \nu _{\alpha }=\sum _{i}U_{\alpha i}\nu _{i},}$ 

missä massatilaan viittaa ${\displaystyle \scriptstyle i=1,2,3}$  ja makutilaan ${\displaystyle \scriptstyle \alpha =e,\mu ,\tau .}$  Myöhemmin on makutilan paikka

${\displaystyle \nu _{\alpha }(x)=\sum _{j}e^{-iE_{j}x}U_{\alpha i}\nu _{i}(0)}$ 

Mikäli tuottopisteen ja havaintopisteen etäisyys on tarpeeksi pitkä, ei tyhjiöoskillaatiolla kuitenkaan ole merkitystä. Auringosta saapuvien neutriinojen kannalta on tällä kuitenkin merkitystä, jolloin puhutaan oskillaatiopituudesta.

Eri reaktioiden vuoksi tapahtuu myös vastaavanlainen ilmiö aineessa, jolloin elektronin neutriinojen massatilat sijaitsevat ylempänä myy- ja tau-neutriinoihin verrattuna. Olennaisin asia neutriinofysiikassa on selvittää tämä potentiaalin aiheuttama muutos neutriinon aaltofunktioon ja siten myös neutriinomaun selviämistodennäköisyyteen sen läpäistessä tutkittavan alueen. Neutriinoiden aika- ja paikkakehityksen määrää niiden liikeyhtälö

${\displaystyle i{\frac {d}{dt}}\nu =H\nu }$ 

missä ${\displaystyle \scriptstyle H}$  on 3x3 hamiltonin operaattori ja ${\displaystyle \scriptstyle \nu }$  neutriinon aaltofunktio.

SNO ratkaisee neutriinomysteerin

Seuraavaksi kanadalaiset rakensivat SNO:n (Sudbury Neutrino Observatory), jonka tarkoitus oli ratkaista Auringon neutriinomysteeri. SNO on optinen neutriinoteleskooppi, jonka suuressa kammiossa on tuhansia tonneja erittäin puhdasta raskasta vettä. Raskaan veden deuterium-atomit (1 protoni, 1 neutroni) reagoivat kaikkiin kolmeen neutriinolajiin. SNO havaitsee neutriinoita kahdella eri tavalla. Ilmaisimessa elektronin neutriino voi muuttua elektroniksi ja muuttaa neutronin protoniksi, eli tämän reaktion tuloksena on elektroni ja kaksi protonia. Sen sijaan myonin, taun sekä myös elektronin neutriinot voivat potkaista deuterium-atomista protonin ja neutronin pois. Vertailemalla kahden eri tapahtuman lukumääriä SNO kykenee mittaamaan kunkin neutriinolajin vuon. Idean keksi Herb Chen.

Vuonna 2002 raportoitiin, että SNO-kokeen tuloksien perusteella on 99,999 prosentin varmaa, että neutriino vaihtaa lajiaan matkallaan Maahan.

Tämän jälkeen kanadalaiset lisäsivät säiliöön kaksi tonnia ruokasuolaa, joka herkisti koekammion kolme kertaa herkemmäksi myonin ja taun neutriinoille. Uusimmat vuoden 2004 tulokset kertovat, että Auringosta saapuvista elektronin neutriinoista kaksi kolmasosaa muuttaa tyyppiään myonin ja taun neutriinoiksi.

Massa

Kanadalaisen SNO:n (< engl. Sudbury Neutrino Observatory, suom. optinen neutriinoteleskooppi) tulokset ovat osoittaneet, että neutriinoilla on massa, joka muodostaa lukumäärän huomioon ottaen merkittävän osuuden maailmankaikkeuden massasta. Jo tätä ennen neutriinojen kriittiseksi massaksi oli arvioitu 50 elektronivolttia, sillä tätä suuremmilla massoilla maailmankaikkeus olisi jo romahtanut kasaan painovoiman vaikutuksesta. Kosmologisten havaintojen ja laboratoriomittausten avulla massa-arvio on tarkentunut muutaman elektronivoltin tai sen murto-osan tienoille. Vuonna 2012 käynnistynyt KATRIN-testilaitteisto pyrki selvittämään neutriinon massan tehden mittauksia väliltä 0,2–2 elektronivolttia.

Nopeus

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä kerättiin vuosina 2009, 2010 ja 2011 tietoa neutriinojen nopeudesta, joka tulosten perusteella vaikutti olevan valon nopeutta suurempi. Koetuloksien todettiin myöhemmin johtuneen laitteistoviasta. Kokeessa Sveitsistä lähetettiin myonin neutriinoja kohti 730 kilometrin päässä sijaitsevaa italialaista Gran Sasso Laboratory -asemaa, jossa OPERA-ilmaisin havaitsi neutriinot. Laskelmien mukaan neutriinot saapuivat OPERA-ilmaisimeen yli 60 nanosekuntia aiemmin kuin mitä valo olisi kulkenut saman matkan tyhjiössä. Tämä tarkoittaisi neutriinojen nopeuden olleen noin ${\displaystyle \scriptstyle 2,48\cdot 10^{-5}}$  c (noin 7,44 km/s) suurempi kuin valonnopeus.

OPERA:n tutkimusryhmä kuitenkin havaitsi pari koetuloksiin vaikuttavaa mahdollista virhetekijää. Ensimmäinen ongelma löytyi ajanmääritysoskillaattorissa liittyen GPS-laitteen synkronointiin. Ajanmääritysongelma voi lisätä neutriinojen havaittavaa matka-aikaa vähentäen ilmiötä valoa nopeammista neutriinoista. Toinen ongelma oli, että GPS-vastaanottimen ja koelaitteen kellon välinen kaapeli ei ollut kunnolla kiinnitetty. Tutkimusryhmän mukaan kaapeliongelma aiheutti sen, että neutriinoiden nopeus mitattiin luonnottoman suureksi. Koe toistettiin löysällä olleen tietoliikennekaapelin kiristämisen jälkeen ja neutriinoiden todettiin kulkevan valoa hitaammin.

• Maalampi, Jukka (toim.): Minne menet, maailmankaikkeus?: Kirjoituksia kosmoksesta. Helsinki: Fysiikan kustannus, 2001. ISBN 951-97790-0-0.

• Schumm, Brian A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. The Johns Hopkins University Press, 2004. ISBN 952-5202-91-7.

Viitteet

 

Wiki Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Neutriino.

• Oulun yliopiston CUPP-projekti – Neutriinofysiikka
• Particle Data Group
• Marko Hamilo: Rikkoiko neutriino maailmankaikkeuden kattonopeutta? Suomen kuvalehti 5.11.2011.

Hiukkaset fysiikassa

Alkeishiukkaset
Fermionit	Kvarkit - ylöskvarkki (u) - ylös-antikvarkki (u) - alaskvarkki (d) - alas-antikvarkki (d) - lumokvarkki (c) - lumo-antikvarkki (c) - outokvarkki (s) - outo-antikvarkki (s) - huippukvarkki (t) - huippu-antikvarkki (t) - pohjakvarkki (b) - pohja-antikvarkki (b) Leptonit e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · ve  · ve · vμ  · vμ · vτ  · vτ
Bosonit	Mittabosonit γ · g · W± · Z Skalaaribosonit H0
Hypoteettiset	Superpartnerit Aksiino · Chargiino · Fotiino · Gluiino · Gravitiino · Higgsiino · Neutraliino · Sfermionit Muut A0 · Dilatoni · G · m · Majoroni · Takyoni · W'  · Z' · X · Y · Steriili neutriino · Preoni
Yhdistelmähiukkaset
Hadronit	Baryonit N (p · n) Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Mesonit π · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T
Muut	Atomi · Atomiydin · Dikvarkki · Eksoottinen atomi (Positronium · Myonium · Tauonium) · Molekyyli · Pentakvarkki · Tetrakvarkki
Hiukkaslöytöjen aikajana