Nobelova nagrada 2015 za fiziko za odkritje oscilacij nevtrinov

Nobelovo nagrado za fiziko bosta letos prejela japonski fizika Takaaki Kajita in kanadski fizik Arthur B. McDonald za odkritje oscilacij nevtrinov, kar dokazuje, da imajo nevtrini maso. Kajita in McDonald sta delovala v velikih kolaboracijah, a ker lahko Nobelovo nagrado prejmejo največ trije posamezniki, je Švedska kraljeva akademija znanosti sklenila, da sta prav omenjena odigrala ključno vlogo pri izpostavljenem odkritju. Vsak izmed njiju bo prejel štiri milijone švedskih kron (430.000 evrov).

Wolfgang Pauli, ki je leta 1945 prejel Nobelovo nagrado za odkritje po njem poimenovanega principa, da dva fermiona ne moreta zasedati istega kvantnega stanja, je leta 1930 v obupanih poizkusih razložiti beta razpad, predpostavil obstoj novega delca. Potreboval ga je, da so ohranitveni zakoni obveljali, saj bi bila rešitev sicer še grša. V pismu kolegom fizikom je zapisal, da je napravil nekaj groznega, in sicer da je predpostavil obstoj delca, ki ga ne moremo zaznati. Enrico Fermi, tudi Nobelov nagrajenec, je kasneje pokazal, da zamisel ni napačna, saj je lepo in konsistentno pojasnjevala beta razpad. Nov, zelo lahek delec brez naboja, ki s snovjo praktično ne interagira, je poimenoval nevtrino (kar v italijanščini pomeni majhen nevtralni /delec/).

Dve desetletji pozneje smo vendarle dobili prve eksperimentalne dokaze, da nevtrini obstajajo. Frederick Reines in Clyde Cowan sta leta 1956 v znamenitem eksperimentu pokazala, da nevtrini res obstajajo. Antinevtrini, ki nastajajo v jedrskem reaktorju, s protoni reagirajo v nevtrone in pozitrone. Nevtrone kmalu zajame kakšno jedro, pri čemer se sprosti gama žarek, pozitroni pa anihilirajo z običajnimi elektroni, pri se čemer nastala energija sprosti v obliki gama žarka. Sovpad obeh dogodkov je zelo dober dokaz za obstoj nevtrinov. Reines je leta 1995 za to odkritje prejel Nobelovo nagrado, Cowan pa je žal prehitro umrl.

Nevtrino ni eden, nevtrini so po standardnem modelu trije: elektronski, muonski in tauonski. Znanstveniki so izračunali, koliko nevtrinov bi moralo nastati v Soncu, ko v njegovem jedru teče fuzija. Nevtrini praktično neovirano potujejo skozi Sonce in po Osončju, pri čemer jih del prečka Zemljo. Vemo, da v Soncu nastajajo le elektronski nevtrini. Meritve pa so pokazale, da jih potuje skozi Zemljo premalo. Izmerili so jih le približno tretjino toliko, kot je napovedovala teorija. Fiziki so šli gledat, kje tiči težava. Ena izmed manj verjetnih teorij je bila, da nevtrini na poti od Sonca do Zemlje spremenijo okus - iz elektronskega v muonskega in tauonskega. Eksperimenti so potrdili, da je to res.

Lovljenje nevtrinov je težavno početje, ker nevtrini tako šibko interagirajo s snovjo, da jih skozi Zemljo vsako sekundo potujejo milijarde (60 milijard na kvadratni centimeter), interagira pa komaj kakšen. Super-Kamiokande je japonski detektor, ki so ga zagnali leta 1996. Kilometer pod površjem, daleč od vplivov ponorelega sveta, je rezervoar s 50.000 tonami izjemno čiste vode. Okrog je nameščenih več kot 11.000 detektorjev svetlobe, katerih naloga je merjenje svetlobnih žarkov. Ti nastanejo, ko kakšen nevtrino, ki leti skozi bazen, interagira s snovjo. Tedaj nastane pripadajoč nabiti delec (elektron za elektronski nevtrino), ki se giblje hitreje od svetlobe v mediju, zaradi česar nastane sevanje Čerenkova.

Podoben detektor so zgradili tudi v Kanadi, le da so ga napolnili s težko vodo. Z njim so lahko na podoben način merili nevtrine, ki na Zemljo pripotujejo s Sonca. Izmerili so lahko število elektronskih nevtrinov ter vsoto vseh treh vrst nevtrinov. Ker Sonce proizvaja le prve, bi morali biti številki enaki - pa nista bili. Odkrili so le tretjino pričakovanih elektronskih nevtrinov, medtem ko je bila skupna številka vseh vrst nevtrinov pravilna. Skupaj z rezultati japonskega eksperimenta je bil zaključek le en - nevtrini spreminjajo okus, kar imenujemo oscilacije nevtrinov. Iz tega po standardnem modelu sledi, da morajo imeti maso, kar rešuje problem Sončevih nevtrinov. (In ne, niso nadsvetlobno hitri.) Prvi je na to možnost pomislil že italijanski jedrski fizik Bruno Pontecorvo, ki pa je tudi že umrl, sicer bi verjetno dobil Nobelovo nagrado.

Nobelov odbor je pripravil tudi podrobno znanstveno utemeljitev.