Czym „pachną” neutrina? Te niezwykłe cząstki mogą skrywać tajemnicę Wszechświata

Nobel 2026 za neutrina

Nie każdy chyba zdaje sobie sprawę jak niezwykłe jest neutrino. Nawet tegoroczny fizyczny Nobel „za neutrina” jest nietypowy w porównaniu z normą noblowską od lat, bo przyznany został nie trójce, lecz jednemu uczonemu, Francisowi Halzenowi, twórcy detektora neutrin IceCube ulokowanego pod lodami Antarktydy na Biegunie Południowym. Nie był to zresztą pierwszy „neutrinowy Nobel”. Już w 1995 r. nagrodę za eksperymentalne odkrycie neutrin otrzymał budowniczy pierwszego detektora Frederick Reines, a w 2002 r. Ray Davis i Masatoshi Koshiba dostali Nagrodę Nobla z fizyki za zbudowanie udoskonalonych detektorów. W przypadku Davisa był to 600-tonowy zbiornik w kopalni, z której co kilka miesięcy chemicznie oddzielał on garść atomów argonu powstałych w momencie, gdy neutrino zostało wchłonięte przez atom chloru w cieczy.

Dzieło Koshiby to znane z wielu odkryć Super-Kamiokande, znajdujące się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii. Pierwotnie zawierała około 50 tys. ton wody. Neutrina uderzające w jądra atomów cząsteczek wody wytwarzają tam małe błyski światła rejestrowane przez fotopowielacze otaczające zbiornik wody. Budowana obecnie kolejna wersja detektora, znana jako Hyper-Kamiokande ma mieć pojemność 260 tys. ton wody.

Potem, w 2015 r. laureatami Nagrody zostali Japończyk Takaaki Kajita z Uniwersytetu Tokijskiego oraz Kanadyjczyk Arthur B. McDonald, za „odkrycie oscylacji neutrin, dowodzące, że neutrina mają masę”. Oscylacja pomiędzy odmianami, tzw. „zapachami” neutrin dowodziła, że muszą doświadczać czasu, a jeśli coś doświadcza czasu, nie podróżuje z prędkością światła a to dla fizyków oznaczało, iż muszą mieć masę.

Dlaczego neutrina są tak trudne do wykrycia?

Neutrino, oznaczane symbolem „ν” Ma zerowy ładunek elektryczny i spin (moment pędu) równy 1/2. Dlatego jest zaliczane do grupy fermionów (w odróżnieniu od bozonów) cząstek elementarnych o niecałkowitym spinie. Należy w klasyfikacji Modelu Standardowego fizyki do podgrupy leptonów, tak jak elektron czy mion. Z czterech podstawowych sił we Wszechświecie, neutrina reagują tylko na dwie, grawitację i na oddziaływania słabe, odpowiedzialne za radioaktywny rozpad atomów.

Przyjmuje się, że neutrina w ogromnych ilościach powstały w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. I powstają od tamtego czasu nieustannie, w jądrach gwiazd, w akceleratorach cząstek i reaktorach atomowych na Ziemi, podczas wybuchów supernowych i wskutek rozpadu radioaktywnych pierwiastków. Fizycy, np. fizyk Karsten Heeger z Uniwersytetu Yale, szacują, że we Wszechświecie jest przeciętnie miliard razy więcej neutrin niż protonów. Mimo swojej wszechobecności, neutrina wciąż w ogromnej mierze pozostają tajemnicą dla fizyków, przede wszystkim dlatego, że cząstki te są bardzo trudne do detekcji, a to główna droga do ich poznawania. Neutrina przepływają przez większość znanej nam materii, jakby jej nie było. W tej chwili przez każdy centymetr kwadratowy ciała każdego z nas przechodzi około 100 miliardów neutrin a my nic nie czujemy. Na szczęście, jak się zdaje, nie szkodzi nam to ani trochę.

Mimo detekcyjnych trudności, czasami zdarza się, że uderzą jądro atomowe na Ziemi i wówczas emitowane są miony i promieniowanie Czerenkowa, co wykorzystuje się w wyżej wspomnianych detektorach. Gdy dochodzi do ich oddziaływań z materią, to neutrina elektronowe (ν_e) potrafią wyprodukować elektron (w zderzeniu na przykład z jądrem atomowym), mionowe (ν_μ) potrafi wyprodukować mion, a taonowe (ν_τ) – cząstkę o nazwie taon. To po tych produktach oddziaływań neutrin z materią, czy, jak to mówią fizycy, „zapachach”, je rozróżniamy.

Jak neutrina zmieniają swój „zapach”?

Oscylacja neutrin polega na zmianie ich „zapachów” „w locie”. Stają się na przemian neutrinami elektronowymi, mionowymi lub taonowymi. To samo dotyczy antyneutrin. Zebrane dane naukowe sugerują, że rejestrowane neutrina oscylowały intensywniej niż oczekiwano, podczas gdy antyneutrina mniej niż oczekiwano, co jest oznaką naruszenia tzw. symetrii CP, która głosi m. in., że prawa fizyki powinny pozostać takie same, jeśli zamienimy każdą cząstkę na jej antycząstkę. Czyżby to trop do rozwiązania zagadki przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie, czyli do odpowiedzi na stare filozoficzne, ale także fizyczne, pytanie: Dlaczego raczej jest coś niż nic?

Bo, choć kosmos jest wypełniony materią, jej odpowiednik lub jak kto woli przeciwieństwo, antymateria, jest znacznie mniej powszechny. Fizycy zakładają, iż we wczesnym Wszechświecie było obu po równo. Wszelako cząstki materii i antymaterii anihilują emitując wielką energię, gdy się zetkną. A zatem pozostałby wszechświat wypełniony jedynie energią, czyli inny niż ten, który znany. Aby uformował się w znanej nam postaci, coś musiało zakłócić równowagę. Naukowcy pytają, czy nie są za to odpowiedzialne właśnie neutrina.

Czy neutrina wyjaśnią przewagę materii nad antymaterią?

Jeszcze w latach 2010-12 IceCube zarejestrował pewną liczbę neutrin, które miały wystarczająco duże energie, aby przypisać im kosmiczne pochodzenie. Uznano, że pochodzą spoza naszej Galaktyki, z eksplozji gwiazd, czarnych dziur i centrów galaktyk.

Nowsze, opublikowane w 2026 r., wyniki badań naukowców z Uniwersytetu w Sheffield wskazują, że ciemna materia wchodzi w interakcje z kosmicznymi neutrinami, a konkretnie zachodzi między nimi nieznaczna wymiana pędu. Tezy te muszą zostać jeszcze potwierdzone, ale jeśli tak jest, to interakcja ta mogłaby stanowić poważne wyzwanie dla modelu Wszechświata, zwanym „Lambda Cold Dark Matter (LCDM)”. Dowody pochodzą z obserwacji Wszechświata w jego obecnym stanie, przeprowadzonych za pomocą instrumentów w obserwatoriach na terenie Chile i kosmicznej sondy Planck.

Neutrina sterylne i ciężkie. Czego szukają fizycy?

Ustalenie, że neutrino ma masę nie rozwiązało tego problemu, bo cząstka ta wcale nie ma jednej ustalonej masy, lecz składa się z kombinacji trzech możliwych mas. Najcięższe z nich to 0,0000059 masy elektronu. Z powodu mnogich dziwaczności i nietypowych właściwości zaczęto podejrzewać, że neutrina są tzw. fermionami Majorany, czyli zachowują się jak własne antycząstki. Jednak wykazanie tego jest bardzo trudne i na razie to tylko hipoteza. 

Warto wspomnieć też o hipotezie tzw. „ciężkich neutrin”. Byłoby to rozszerzenie Modelu Standardowego. Ciężkie neutrina są zarazem doskonałymi kandydatami na ciemną materię, jeśli tylko istnieją. Alternatywą zaś dla koncepcji ciężkich neutrin jest koncepcja neutrina sterylnego (ν_s), która oddziaływałaby z materią tylko grawitacyjnie i, a jakże, mogłaby wyjaśniać zagadkę ciemnej materii. Do jego wykrycia zaprzęgnięto IceCube. Naukowcy ze znacznie skromniejszego ośrodka Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) w Fermilab twierdzą, że wykryli neutrina sterylne, jednak wyniki te nie zostały jeszcze zweryfikowane.

Fizycy teoretyzują, że jeśli neutrina „zwykłe” mogą wyjaśniać niektóre z form ciemnej materii, to szacuje się, że stanowiłyby one jej najwyżej 1,5 proc. Pozostała część ciemnej materii musiałyby pochodzić od nowego sterylnego neutrina.

Czy neutrina pozwolą zajrzeć do wnętrza Ziemi?

Prócz wykorzystania w fizyce neutrin jako nośnika informacji o początkach, przeszłości i obecnej naturze Wszechświata, pojawiła się nowa, na razie dość teoretyczna, dziedzina zwana tomografią neutrinową (ang. neutrino tomography). Ta proponowana nowa metoda badawcza wykorzystywać miałaby neutrina do obrazowania wnętrza Ziemi. Metoda ta działa analogicznie do medycznej tomografii komputerowej, z tą różnicą, że zamiast promieni rentgenowskich prześwietlających ludzkie ciało, naukowcy analizują w niej strumienie neutrin przechodzących przez całą planetę.

Inny nieco pomysł na wykorzystanie neutrin a właściwie „geo-neutrin” emitowanych przez radioaktywne procesy we wnętrzu Ziemi, miałby dać nam obraz i wiedzę o tym, co się dzieje w najgłębszych warstwach planety. Niestety, geo-neutrina, jak przystało na neutrina, są bardzo trudne do detekcji. Pierwsza detekcja geo-neutrin w 2003 roku miała miejsce w Kamioka. Japoński detektor wykrywał ten typ neutrin również później, choć były to rzadkie wydarzenia. Dokonał tego również włoski detektor Gran Sasso. W detekcji geo-neutrin mógłby, zdaniem międzynarodowej grupy naukowców, którzy opublikowali ten pomysł w czasopiśmie „Physical Review D”, pomóc detektor Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), który do 2027 r. ma działać na z pełna mocą.

Laser neutrinowy — naukowa hipoteza czy przyszła technologia?

Są naukowcy, którzy sugerują, że w laboratorium można by wytworzyć „wiązkę laserową” z neutrin. Na pierwszy rzut oka z punktu widzenia fizyki stworzenie takiego lasera byłoby niemożliwe. Jednak podobno dzięki wykorzystaniu zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej zwanego superradiacją, mogłoby być to możliwe. W procesie superradiacji grupa atomów jest pobudzana do zbiorowego emitowania światła w postaci impulsu, a nie w niewielkich porcjach. Według publikacji w „Physical Review Letters”, w odpowiednich warunkach superradiacja mogłaby zamiast światła wywołać podobny do laserowego impuls neutrin.

Gdy atomy są schłodzone na tyle, by przyjąć stan kwantowy zwany kondensatem Bosego-Einsteina, to, zdaniem pomysłodawców, Bena Jonesa i Joe Formaggio, można to osiągnąć z neutrinami. Kondensat Bosego-Einsteina musi być radioaktywny, więc badacze proponują wykorzystanie izotopu rubidu-83, który podczas rozpadu wytwarza neutrino a, ich zdaniem, w kondensacie Bosego-Einsteina rozpad ten byłby znacznie szybszy. Milion atomów rubidu rozpadłoby się w ciągu kilku minut, wytwarzając falę neutrin.

Do czego mógłby neutrinowy laser posłużyć? Fizycy mówią głównie o „nowym rodzaju eksperymentów fizycznych”. A w praktyce, technologiach bliższych życiu codziennemu. Kto wie czy nie byłby to np. przełomowy pomysł na łączność w miejscach, w których tradycyjne zakresy fal nie działają, np. głęboko pod ziemią? Lasery oparte na świetle są wykorzystywane w łączności w kosmosie zatem być może hipotetyczne lasery neutrinowe rozwiązałyby problem w miejscach do których ani fale, ani światło nie docierają.

FAQ: najważniejsze pytania o neutrina

1. Czym jest neutrino? To cząstka elementarna oznaczana symbolem ν, bez ładunku elektrycznego i ze spinem 1/2. Zalicza się do fermionów, a w Modelu Standardowym do leptonów, razem z elektronem i mionem. Reaguje tylko na dwie z czterech podstawowych sił: grawitację i oddziaływania słabe.
2. Dlaczego neutrina są tak trudne do wykrycia? Prawie nie wchodzą w interakcje z materią. Przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przechodzi w tej chwili około 100 miliardów neutrin, a my niczego nie czujemy.
3. Czy neutrinami można prześwietlić Ziemię? Teoretycznie tak. Tomografia neutrinowa działałaby analogicznie do tomografii komputerowej, tyle że zamiast promieni rentgenowskich wykorzystywałaby strumienie neutrin przechodzące przez całą planetę.

Źródła:

• https://www.sciencenews.org/article/cosmic-neutrino-unknown-energy-records
• https://www.nature.com/articles/s41550-025-02733-1
• https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.093009
• https://www.sciencenews.org/article/laser-beam-neutrinos-light-subatomic

[Autor, Mirosław Usidus jest popularyzotorem nauki i byłym redaktorem naczelnym Młodego Technika]

[Tytuł, lead, sekcje "Co musisz wiedzieć" i "Co oznacza „zapach” neutrina?", oraz śródtytuły od Redakcji]

Co oznacza „zapach” neutrina?

W fizyce słowo „zapach” (ang. flavor) nie ma nic wspólnego z węchem. Oznacza jedną z trzech odmian neutrina: elektronową, mionową lub taonową. Każda z nich jest związana z odpowiednim leptonem naładowanym: elektronem, mionem albo taonem.

Co niezwykłe, neutrino w trakcie podróży może zmienić swój zapach. Zjawisko to nazywa się oscylacją neutrin. Jest możliwe, ponieważ stany o określonym zapachu są kombinacjami stanów o różnych masach. Odkrycie oscylacji pokazało, że neutrina mają niezerową masę, choć jej dokładna skala nadal jest przedmiotem badań.