Αν και βρίσκονται παντού γύρω μας, τα νετρίνα δεν κάνουν εύκολα αισθητή την παρουσία τους. Αλληλεπιδρούν σπάνια με οτιδήποτε βρεθεί στο δρόμο τους. Γι' αυτό άλλωστε ταξιδεύουν μέσα στο σύμπαν για εκατομμύρια χρόνια χωρίς να αλλάζουν πορεία. Αν μπορούσαμε να "πιάσουμε" ένα, θα να μας έδινε πληροφορίες για τις πιο μακρινές γωνιές του σύμπαντος. Από που έρχονται όμως και πως ανιχνεύονται αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια;
Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια, δεν μπορούν δηλαδή να υποδιαιρεθούν σε άλλα μικρότερα σωματίδια. Είναι μάλιστα από τα μικρότερα. Περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο μπορεί εύκολα να περάσει μέσω της ύλης, ενώ παράλληλα δεν επηρεάζεται από τα μαγνητικά πεδία, αφού δεν διαθέτει ηλεκτρικό φορτίο.
Υπάρχουν διάφορες πηγές νετρίνων στο σύμπαν. Κάποια από αυτά παράγονται από τη ραδιενεργό διάσπαση χημικών στοιχείων που βρίσκονται στο σώμα μας ή στο εσωτερικό της Γης. Νετρίνα παράγονται επίσης στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και στους επιταχυντές σωματιδίων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούν μια άλλη πηγή νετρίνων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια με σχετικά μεγάλη μάζα, όπως τα πρωτόνια. Τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν έντονα με την ύλη και παράγουν υψηλής ενέργειας νετρίνα. Τα νετρίνα με τις υψηλότερες ενέργειες όμως παράγονται πολύ μακριά από τη Γη, σε ακραίες συνθήκες όπως υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, σουπερνόβα και άλλες πηγές ισχυρών κοσμικών ακτίνων που δεν γνωρίζουμε ακόμη κάτι γι' αυτές.
Το γεγονός ότι τα νετρίνα αλληλεπιδρούν περιορισμένα με την ύλη τα καθιστά σπουδαίους μεταφορείς πληροφοριών. Για τον ίδιο λόγο από την άλλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν. Ο εντοπισμός αυτών των σωματιδίων γίνεται από ειδικούς ανιχνευτές. Η κατασκευή όλων των ανιχνευτών νετρίνων ακολουθεί δύο βασικές "αρχές". Η πρώτη αφορά το μέγεθος του ανιχνευτή. Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενώς με άλλα σωματίδια της ύλης, οι ανιχνευτές πρέπει να έχουν μεγάλο μέγεθος έτσι ώστε να υπάρχει αυξημένη πιθανότητα ανίχνευσης νετρίνων. Η δεύτερη αφορά την τοποθεσία του ανιχνευτή, ο οποίος θα πρέπει να μην επηρεάζεται από εξωτερικές παρεμβολές, όπως οι διάφοροι τύποι ακτινοβολιών. Έτσι οι περισσότεροι ανιχνευτές βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια, είτε μέσα στη γη είτε μέσα στη θάλασσα.
Οι διάφοροι τύποι ανιχνευτών νετρίνων διακρίνονται ανάλογα με τη μέθοδο ανίχνευσης που χρησιμοποιούν.
Ένα είδος ανιχνευτών είναι οι ανιχνευτές Cherenkov. Οι ανιχνευτές αυτοί λειτουργούν εκμεταλλευόμενοι την ακτινοβολία Cherenkov. Η ακτινοβολία αυτού του είδους παράγεται όταν φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή μιόνια, περνούν μέσα από ένα διηλεκτρικό μέσο με μία ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα φάσης του φωτός στο συγκεκριμένο μέσο. Στους ανιχνευτές Cherenkov χρησιμοποιείται ένας μεγάλος όγκος διαφανούς υλικού, όπως το νερό ή ο πάγος. Ο όγκος αυτός διατρέχεται από φωτοπολλαπλασιαστές, που λειτουργούν ως ανιχνευτές φωτεινών σημάτων. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα μόριο νερού ή πάγου παράγονται φορτισμένα υποατομικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά, ταξιδεύοντας γρηγορότερα μέσα στο υλικό από το φως, δημιουργούν ένα είδος φωτεινής έκρηξης κατά παρόμοιο τρόπο με ένα υπερηχητικό αεροπλάνο που "σπάει" το φράγμα του ήχου. Οι φωτοπολλαπλασιαστές ενισχύουν το σήμα φωτός, το οποίο περιέχει πληροφορίες για την πορεία και τις ενέργειες των φορτισμένων σωματιδίων. Η ανάλυση του φωτεινού σήματος των σωματιδίων δίνει στοιχεία για το νετρίνο που τα παρήγαγε.
Παραδείγματα ανιχνευτών τέτοιου τύπου είναι ο ανιχνευτής Super-Kamiokande, το παρατηρητήριο νετρίνων SNO (Sudbury Neutrino Observator), που βρίσκονται μέσα στη γη. Ο ανιχνευτής ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) που βρίσκεται σε βάθος 2,5 χιλιομέτρων στη Μεσόγειο λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Οι ανιχνευτές KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) αποτελούν τη νέα γενιά υποθαλάσσιων ανιχνευτών τύπου Cherenkov και θα τοποθετηθούν σε τρία σημεία της Μεσογείου ένα εκ των οποίων βρίσκεται ανοιχτά της Πύλου (Nestor Project). Τέλος ο ανιχνευτής IceCube, που βρίσκεται στην Ανταρκτική, λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο αλλά χρησιμοποιεί ως μέσο τον πάγο.
Ένας άλλος τρόπος ανίχνευσης νετρίνων είναι η ραδιοχημική μέθοδος. Οι ανιχνευτές αυτού του είδους αποτελούνται από μία δεξαμενή γεμάτη με ένα υγρό που περιέχει στοιχεία όπως το χλώριο ή το γάλλιο. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με ένα άτομο χλωρίου (37Cl) το τελευταίο μετατρέπεται σε αργό (37Ar). Τα άτομα αργού απομακρύνονται από το υγρό του ανιχνευτή με τη χρήση ηλίου σε αέρια μορφή. Στη συνέχεια το ήλιο ψύχεται ώστε να διαχωριστεί το αργό. Με τον ίδιο τρόπο λειτουργούν και οι ανιχνευτές γαλλίου. Τα νετρίνα αντιδρούν με τα άτομα γαλλίου (71Ga), μετατρέποντάς τα σε γερμάνιο (71Ge). Έπειτα το γερμάνιο απομονώνεται με τις διαδικασίες της εκχύλισης και της συμπύκνωσης. Τα νετρίνα ανιχνεύονται με τη μέτρηση της ραδιενεργούς διάσπασης του αργού και του γερμανίου αντίστοιχα. Η ραδιοχημική μέθοδος ανίχνευσης νετρίνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη μέτρηση του αριθμού των νετρίνων και όχι για την ανάλυση πληροφοριών που αφορούν την πορεία τους ή την ενέργειά τους. Ο ανιχνευτής χλωρίου στο ορυχείο Homestake, στη νότια Ντακότα, ήταν ο πρώτος ανιχνευτής στον οποίο παρατηρήθηκαν νετρίνα που προέρχονται από τον Ήλιο και ανακαλύφθηκε το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Ένας τύπος ανιχνευτή γαλλίου χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα SAGE (Soviet-American Gallium Experiment), το οποίο επινοήθηκε για την μέτρηση της ηλιακής ροής των νετρίνων.
Μία άλλη πειραματική διάταξη για την ανίχνευση νετρίνων είναι αυτή που χρησιμοποιείται στο πείραμα MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Το MINOS είναι ένα πείραμα, σχεδιασμένο να παρατηρεί το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων. Η διάταξη περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές, από τους οποίους ο ένας βρίσκεται στο Fermilab, στο Σικάγο, στην πηγή των νετρίνων, και ο άλλος βρίσκεται 735 χλμ μακριά, στο βόρειο τμήμα της Μινεσότα. Η εγκατάσταση στο Fermilab χρησιμοποιεί πρωτόνια από έναν κύριο επιταχυντή για να παράγει μια ακτίνα νετρίνων. Η δέσμη νετρίνων κατευθύνεται κατά μήκος μιας γραμμής που συνδέει τα δύο άκρα του πειράματος. Τα νετρίνα προσκρούουν σε έναν στόχο που βρίσκεται στο δεύτερο ανιχνευτή. Όταν ένα νετρίνο χτυπά ένα άτομο του στόχου, απελευθερώνει μια έκρηξη φορτισμένων σωματιδίων. Η ενέργεια των σωματιδίων αυτών συλλέγεται από φωτοανιχνευτές. Ανάλογα με το πρότυπο φωτός που εμφανίζεται στους ανιχνευτές οι επιστήμονες μπορούν να καθορίσουν το είδος του νετρίνου που προκάλεσε την αλληλεπίδραση καθώς και την ενέργειά του. Παρόμοια διάταξη χρησιμοποιείται και στο πείραμα NOvA (NuMI Off-Axis ve Appearance). Το πείραμα αυτό προορίζεται να είναι ο διάδοχος του MINOS, καθώς βρίσκεται στην ίδια τοποθεσία και αποτελείται από δύο ανιχνευτές, ο ένας εκ των οποίων βρίσκεται στο Fermilab. Η διαφορά βρίσκεται στον δεύτερο ανιχνευτή, ο οποίος είναι τοποθετημένος στη βόρεια Μινεσότα, αλλά πιο μακριά (811 χλμ) ενώ έχει και διαφορετική διάταξη.
Η αστρονομία νετρίνων βρίσκεται σε πολύ αρχικά στάδια και δεν έχουμε ιδέα τι πληροφορίες μπορούν να μας δώσουν, στο μέλλον, οι ανιχνευτές νετρίνων. Πληροφορίες που θα μας βοηθήσουν να "δούμε" τις πιο απομακρυσμένες και άγνωστες γωνιές του σύμπαντος.
Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια, δεν μπορούν δηλαδή να υποδιαιρεθούν σε άλλα μικρότερα σωματίδια. Είναι μάλιστα από τα μικρότερα. Περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο μπορεί εύκολα να περάσει μέσω της ύλης, ενώ παράλληλα δεν επηρεάζεται από τα μαγνητικά πεδία, αφού δεν διαθέτει ηλεκτρικό φορτίο.
Υπάρχουν διάφορες πηγές νετρίνων στο σύμπαν. Κάποια από αυτά παράγονται από τη ραδιενεργό διάσπαση χημικών στοιχείων που βρίσκονται στο σώμα μας ή στο εσωτερικό της Γης. Νετρίνα παράγονται επίσης στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και στους επιταχυντές σωματιδίων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούν μια άλλη πηγή νετρίνων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια με σχετικά μεγάλη μάζα, όπως τα πρωτόνια. Τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν έντονα με την ύλη και παράγουν υψηλής ενέργειας νετρίνα. Τα νετρίνα με τις υψηλότερες ενέργειες όμως παράγονται πολύ μακριά από τη Γη, σε ακραίες συνθήκες όπως υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, σουπερνόβα και άλλες πηγές ισχυρών κοσμικών ακτίνων που δεν γνωρίζουμε ακόμη κάτι γι' αυτές.
Το γεγονός ότι τα νετρίνα αλληλεπιδρούν περιορισμένα με την ύλη τα καθιστά σπουδαίους μεταφορείς πληροφοριών. Για τον ίδιο λόγο από την άλλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν. Ο εντοπισμός αυτών των σωματιδίων γίνεται από ειδικούς ανιχνευτές. Η κατασκευή όλων των ανιχνευτών νετρίνων ακολουθεί δύο βασικές "αρχές". Η πρώτη αφορά το μέγεθος του ανιχνευτή. Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενώς με άλλα σωματίδια της ύλης, οι ανιχνευτές πρέπει να έχουν μεγάλο μέγεθος έτσι ώστε να υπάρχει αυξημένη πιθανότητα ανίχνευσης νετρίνων. Η δεύτερη αφορά την τοποθεσία του ανιχνευτή, ο οποίος θα πρέπει να μην επηρεάζεται από εξωτερικές παρεμβολές, όπως οι διάφοροι τύποι ακτινοβολιών. Έτσι οι περισσότεροι ανιχνευτές βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια, είτε μέσα στη γη είτε μέσα στη θάλασσα.
Οι διάφοροι τύποι ανιχνευτών νετρίνων διακρίνονται ανάλογα με τη μέθοδο ανίχνευσης που χρησιμοποιούν.
Ένα είδος ανιχνευτών είναι οι ανιχνευτές Cherenkov. Οι ανιχνευτές αυτοί λειτουργούν εκμεταλλευόμενοι την ακτινοβολία Cherenkov. Η ακτινοβολία αυτού του είδους παράγεται όταν φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή μιόνια, περνούν μέσα από ένα διηλεκτρικό μέσο με μία ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα φάσης του φωτός στο συγκεκριμένο μέσο. Στους ανιχνευτές Cherenkov χρησιμοποιείται ένας μεγάλος όγκος διαφανούς υλικού, όπως το νερό ή ο πάγος. Ο όγκος αυτός διατρέχεται από φωτοπολλαπλασιαστές, που λειτουργούν ως ανιχνευτές φωτεινών σημάτων. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα μόριο νερού ή πάγου παράγονται φορτισμένα υποατομικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά, ταξιδεύοντας γρηγορότερα μέσα στο υλικό από το φως, δημιουργούν ένα είδος φωτεινής έκρηξης κατά παρόμοιο τρόπο με ένα υπερηχητικό αεροπλάνο που "σπάει" το φράγμα του ήχου. Οι φωτοπολλαπλασιαστές ενισχύουν το σήμα φωτός, το οποίο περιέχει πληροφορίες για την πορεία και τις ενέργειες των φορτισμένων σωματιδίων. Η ανάλυση του φωτεινού σήματος των σωματιδίων δίνει στοιχεία για το νετρίνο που τα παρήγαγε.
Παραδείγματα ανιχνευτών τέτοιου τύπου είναι ο ανιχνευτής Super-Kamiokande, το παρατηρητήριο νετρίνων SNO (Sudbury Neutrino Observator), που βρίσκονται μέσα στη γη. Ο ανιχνευτής ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) που βρίσκεται σε βάθος 2,5 χιλιομέτρων στη Μεσόγειο λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Οι ανιχνευτές KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) αποτελούν τη νέα γενιά υποθαλάσσιων ανιχνευτών τύπου Cherenkov και θα τοποθετηθούν σε τρία σημεία της Μεσογείου ένα εκ των οποίων βρίσκεται ανοιχτά της Πύλου (Nestor Project). Τέλος ο ανιχνευτής IceCube, που βρίσκεται στην Ανταρκτική, λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο αλλά χρησιμοποιεί ως μέσο τον πάγο.
Ένας άλλος τρόπος ανίχνευσης νετρίνων είναι η ραδιοχημική μέθοδος. Οι ανιχνευτές αυτού του είδους αποτελούνται από μία δεξαμενή γεμάτη με ένα υγρό που περιέχει στοιχεία όπως το χλώριο ή το γάλλιο. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με ένα άτομο χλωρίου (37Cl) το τελευταίο μετατρέπεται σε αργό (37Ar). Τα άτομα αργού απομακρύνονται από το υγρό του ανιχνευτή με τη χρήση ηλίου σε αέρια μορφή. Στη συνέχεια το ήλιο ψύχεται ώστε να διαχωριστεί το αργό. Με τον ίδιο τρόπο λειτουργούν και οι ανιχνευτές γαλλίου. Τα νετρίνα αντιδρούν με τα άτομα γαλλίου (71Ga), μετατρέποντάς τα σε γερμάνιο (71Ge). Έπειτα το γερμάνιο απομονώνεται με τις διαδικασίες της εκχύλισης και της συμπύκνωσης. Τα νετρίνα ανιχνεύονται με τη μέτρηση της ραδιενεργούς διάσπασης του αργού και του γερμανίου αντίστοιχα. Η ραδιοχημική μέθοδος ανίχνευσης νετρίνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη μέτρηση του αριθμού των νετρίνων και όχι για την ανάλυση πληροφοριών που αφορούν την πορεία τους ή την ενέργειά τους. Ο ανιχνευτής χλωρίου στο ορυχείο Homestake, στη νότια Ντακότα, ήταν ο πρώτος ανιχνευτής στον οποίο παρατηρήθηκαν νετρίνα που προέρχονται από τον Ήλιο και ανακαλύφθηκε το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Ένας τύπος ανιχνευτή γαλλίου χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα SAGE (Soviet-American Gallium Experiment), το οποίο επινοήθηκε για την μέτρηση της ηλιακής ροής των νετρίνων.
Μία άλλη πειραματική διάταξη για την ανίχνευση νετρίνων είναι αυτή που χρησιμοποιείται στο πείραμα MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Το MINOS είναι ένα πείραμα, σχεδιασμένο να παρατηρεί το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων. Η διάταξη περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές, από τους οποίους ο ένας βρίσκεται στο Fermilab, στο Σικάγο, στην πηγή των νετρίνων, και ο άλλος βρίσκεται 735 χλμ μακριά, στο βόρειο τμήμα της Μινεσότα. Η εγκατάσταση στο Fermilab χρησιμοποιεί πρωτόνια από έναν κύριο επιταχυντή για να παράγει μια ακτίνα νετρίνων. Η δέσμη νετρίνων κατευθύνεται κατά μήκος μιας γραμμής που συνδέει τα δύο άκρα του πειράματος. Τα νετρίνα προσκρούουν σε έναν στόχο που βρίσκεται στο δεύτερο ανιχνευτή. Όταν ένα νετρίνο χτυπά ένα άτομο του στόχου, απελευθερώνει μια έκρηξη φορτισμένων σωματιδίων. Η ενέργεια των σωματιδίων αυτών συλλέγεται από φωτοανιχνευτές. Ανάλογα με το πρότυπο φωτός που εμφανίζεται στους ανιχνευτές οι επιστήμονες μπορούν να καθορίσουν το είδος του νετρίνου που προκάλεσε την αλληλεπίδραση καθώς και την ενέργειά του. Παρόμοια διάταξη χρησιμοποιείται και στο πείραμα NOvA (NuMI Off-Axis ve Appearance). Το πείραμα αυτό προορίζεται να είναι ο διάδοχος του MINOS, καθώς βρίσκεται στην ίδια τοποθεσία και αποτελείται από δύο ανιχνευτές, ο ένας εκ των οποίων βρίσκεται στο Fermilab. Η διαφορά βρίσκεται στον δεύτερο ανιχνευτή, ο οποίος είναι τοποθετημένος στη βόρεια Μινεσότα, αλλά πιο μακριά (811 χλμ) ενώ έχει και διαφορετική διάταξη.
Η αστρονομία νετρίνων βρίσκεται σε πολύ αρχικά στάδια και δεν έχουμε ιδέα τι πληροφορίες μπορούν να μας δώσουν, στο μέλλον, οι ανιχνευτές νετρίνων. Πληροφορίες που θα μας βοηθήσουν να "δούμε" τις πιο απομακρυσμένες και άγνωστες γωνιές του σύμπαντος.
NeildeGrasse Tyson - Cosmos: A Spacetime Odyssey 2014.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου