Neutriino tutkimuskohteena
Kokeellisen neutriinofysiikan kohteet
Maanalaiset neutriinotähtitieteelliset kokeet
Maan ulkopuolelta tulevien neutriinojen havaitseminen on yksi suurimpia haasteita hiukkastähtitieteelle. Neutriinojen havaitseminen on aina vaikeaa, avaruudesta tulevien neutriinojen havaitseminen on vielä vaikeampaa, koska emme aina tiedä kovin hyvin etukäteen mistä ne tulevat, milloin ne tulevat ja kuinka paljon niitä tulee.Neutriinoa ei voi havaita suoraan, mutta hyvällä onnella se voi aiheuttaa reaktion, joka voidaan havaita. Ongelmana on kuitenkin, että neutriinon jälki mittalaitteessa ei ole yksikäsitteinen: monet muut häiriöt voivat aiheuttaa aivan samanlaisen signaalin.
Virhesignaalien vähentämiseksi neutriinokokeet viedään syvälle maan alle. Laboratoriot on usein rakennettu vuorten sisään kalliotunneleihin, josta matkaa maan pinnalle on kilometrejä.
Maanalaisten neutriinokokeiden tärkeimpiä tavoitteita ovat:
- Auringosta tulevien neutriinojen havaitseminen.
- Ilmakehässä syntyvien neutriinojen havaitseminen
- Suurienergisten kosmisten neutriinojen havaitseminen
- Supernovasta tulevien neutriinojen havaitseminen
- Pimän aineen havaitseminen
Maanpäälliset laboratoriokokeet
Maanpäällisissä laboratorioissa voidaan valmistaa neutriinoja eri tavoin, joko kiihdyttimissä tai ydinreaktioden tuloksena. Tärkeimpiä tutkimuskohteita ovat- Neutriinon massan mittaus
- Neutriinon törmäykset ytimiin
- Tau neutriinon löytäminen
- Neutriino-oskillaation havaitseminen (neutriinon muuntuminen toiseen lajiin)
Teoreettisen neutriinofysiikan ongelmat
Teoreetikot rakentavat malleja, jotka selittävät koetulokset. Hiukkasfysiikan vakiomallissa neutriinot ovat varsin aneemisia hiukkasia, joilla on kovin vähän hohtoa. Fyysikot eivät kuitenkaan usko, että nykyinen vakiomalli olisi viimeinen sana, vaan he kehittelevät aina uusia teorioita. Uusissa teorioissa neutriinot voivat käyttäytyä eri tavoin kuin vakiomallissa.Teoreettiset neutriinofyysikot pyrkivät selvittämään neutriinojen ominaisuuksia eri malleissa. Mielenkiintoisimpia kohteita ovat
Monet teorioista ovatkin hyvällä onnella kokeellisesti testattavissa.Edetessään avaruudessa neutriino voi kokea monenlaisia asioita. Neutriinon kuvaamiseen eivät klassiset liikelait riitä, vaan on käytettävä kvanttimekaniikkaa. Sen avulla tutkijat yrittävät mallintaa muun muassa seuraavia ilmiöitä:
Vaikka kaikki edelliset ilmiöt ovat periaatteessa yksinkertaisia, niin yhdessä esiintyessään ne voivat aiheuttaa niin vaikean ongelman, että sen ratkaisemiseen tarvitaan parhaiden tietokoneiden tehoa.Neutriinofyysikot tutkivat myös neutriinojen vaikutuksia tähdissä ja koko maailmankaikkeudessa. Kuumimpia tutkimusaiheita ovat
Kaikki tutkijat eivät ole yhtä mieltä ilmiöiden merkityksestä. Eri mallit ennustavat erilaisia lopputuloksia.Poikkeamat teorian ennusteiden ja kokeellisten havaintojen välillä
Aina ei teoria selitä kokeita. Neutriinofysiikassa on useamminkin käynyt, että koetulokset tuottavat yllätyksen niin kokeilijoille kuin teoreetikoillekin. Kun havainnot eivät sovi yhteen vallitsevan teorian kanssa, se voi olla merkki siitä, että on löydetty kokonaan uusi ilmiö. Vaikka uuden ilmiön löytäminen on kokeellisen tutkijan suurin unelma, on parasta olla varuillaan: usein syynä on vain aliarvioitu häiriö mittalaitteissa, tai pienen aineiston aiheuttama satunnainen vaihtelu.Poikkeavien koetulosten selittäminen on teoreetikon arkipäivää. Joskus poikkeamat odotetusta ovat niin pieniä, että niitä ei oikeastaan tarvitsisi selittää ollenkaan, mutta koska selkeitä tuloksia ei ole tarjolla, on tutkijoiden tartuttava pienimpiinkin vihjeisiin. Tässä työssä voi kuitenkin käydä hupsusti: kun teoreetikko saa valmiiksi uuden kauniin teoriansa, niin mallin motivaationa olleet tulokset ovat uusissa mittauksissa osoittautuneet ihan säännönmukaisiksi. Mallin kohtaloa ei kuitenkaan auta surra, hutitulokset ovat erottamatton osa tutkijan elämää. On parasta vain jatkaa eteenpäin - kenties samoja ideoita voidaan käyttää toisen ilmiön selitykseen.
Eniten neutriinotutkijoiden mieliä askarruttavat seuraavat kokeelliset tulokset:
- Auringosta tulevia neutriinoja havaitaan liian vähän
- Ilmakehässä syntyneiden neutriinojen jakauma poikkeaa teorian ennusteesta
- Eräät laboratoriokokeet havaitsevat merkkejä neutriino-oskillaatiosta
Edellä mainutut havainnot vihjaavat standardimallin ulkopuoliseen fysiikkaan. Jos neutriinolla olisi massa, niin jokainen havainto voitaisiin selittää erikseen sopivalla neutriinon massan arvolla. Vaadittavat arvot eivät kuitenkaan ole yhteensopivia toinen toistensa kanssa. Siksi kaikkia havaintoja ei voida selittää yhtä aikaa - teoriasta loppuvat vapaat parametrit.
Yksi ilmeinen selitys on aina, että poikkeavat koetulokset johtuvat vain mittausvirheestä. Se olisi jopa varsin odotettavaa, koska kaikki neutriinokokeet ovat erittäin vaikeita, ja tutkijat joutuvat virittään mittarinsa suorituskykyjen äärirajoille.
Suomalaiset teoreetikot ovat jo pitkään tutkineet uudenlaisen neutriinon, steriilin neutriinon vaikutuksia. Steriiliä neutriinoa ei ole havaittu kokeissa, eikä hiukkasfysiikan vakiomalli sen olemassaoloa ennusta. Se voidaan kuitenkin helposti ottaa mukaan teoriaan. Steriilien neutriinojen olemassaolo selittäisi yhtäaikaa kaikki nykyiset neutriinokokeet.
Lisätietoja
Neutriinojen tietosivu(englanniksi): numerotietoja neutriinojen ominaisuuksista.Juha Peltoniemi