Neutrina to cząstki elementarne odkryte dopiero w 1956 roku. Fizycy z całego świata pracujący w kilkunastu międzynarodowych projektach od lat badają ich naturę. Wiedzą o neutrinach już sporo, ale trudno przewidzieć, jakie tajemnice nadal ukrywa przed nimi świat rządzący się prawami mechaniki kwantowej. Cztery lata temu prof. dr. hab. Jan Kisiel z Instytutu Fizyki opowiadał w wywiadzie dla „Gazety Uniwersyteckiej” o właściwościach tych wszechobecnych cząstek. Dowiedzieliśmy się wówczas, że neutrina to bardzo słabo oddziałujące z materią cząstki o zerowym ładunku elektrycznym i masie bliskiej zeru. Bez przeszkód przenikają skały, budynki czy ciało człowieka, w związku z czym niezwykle trudna jest rejestracja bardzo rzadkich oddziaływań. Aby możliwe było zbadanie ich właściwości, wykorzystuje się, oprócz naturalnych źródeł neutrin, wiązki neutrin produkowane przy pomocy akceleratorów cząstek oraz wielkie detektory zlokalizowane m.in. w podziemnych laboratoriach fizyki. Po czterech latach powracamy do tematu fascynujących cząstek elementarnych, pytając profesora Jana Kisiela o nowe odkrycia w fizyce neutrin i udział polskich badaczy w międzynarodowych projektach ICARUS oraz T2K.

Prof. dr hab. Jan Kisiel z Zakładu Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań UŚ

Panie Profesorze, spotkaliśmy się w 2011 roku, by rozmawiać o ciekawych właściwościach neutrin. Cieszę się, że możemy powrócić do tego tematu po czterech latach. Czy z perspektywy fizyki eksperymentalnej jest to dużo czasu?

– Eksperymentalne badania własności neutrin to stosunkowo nowa dziedzina fizyki. Musimy pamiętać, że cząstki te zostały odkryte dopiero w 1956 roku. Ostatnie prawie trzydzieści lat badań, począwszy od projektu Kamiokande, a potem Super-Kamiokande i innych, to właściwie najważniejszy czas w fizyce neutrin, jeśli mówimy oczywiście o części eksperymentalnej. Z tej perspektywy cztery lata to dużo czasu.

Artykuł o „wszechobecnej cząstce” ukazał się na łamach „Gazety Uniwersyteckiej” w kwietniu 2011 roku. Prawie pół roku później pojawiły się sensacyjne wyniki badań, które miały dowodzić, że neutrina poruszają się z prędkością większą od prędkości światła...

– Takie doniesienie rzeczywiście otrzymaliśmy od naukowców pracujących w eksperymencie OPERA. Nasz polski zespół pracował na tej samej wiązce neutrin produkowanej w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN, z tym że korzystaliśmy z innego detektora – ICARUS T600. Bardzo szybko przygotowaliśmy się do dokonania kontrolnych pomiarów owej prędkości – mniej dokładne wyniki uzyskaliśmy już pod koniec 2011 roku, bardziej precyzyjne kilka miesięcy później. Wykazaliśmy, że różnica prędkości neutrin i światła na drodze 732 km, z CERN-u do detektora pracującego w podziemnym laboratorium fizyki w Gran Sasso we Włoszech, jest równa zero. To wystarczyło, aby udowodnić, że neutrina nie przekroczyły prędkości światła. Doniesienia eksperymentu OPERA były wprawdzie sensacyjne, ale miały krótki żywot.

Niestety... czy na szczęście?

– Gdyby rzeczywiście okazało się, że cząstka, która posiada masę, a takimi cząstkami są neutrina, potrafi poruszać się z prędkością większą od prędkości światła, byłoby to ogromne wydarzenie w fizyce. Zazwyczaj najciekawsze okazują się te wyniki, których się nie spodziewamy. Pozwolę sobie na krótką dygresję. Kilka lat temu dwa eksperymenty potwierdziły niezależnie istnienie cząstki Higgsa, na co długo czekaliśmy. Pomiar był niezwykle trudny, ale udało się to zrobić. Proszę sobie wyobrazić, co by się działo, gdyby cząstka nie została jednak odkryta... Byłoby to z pewnością duże wyzwanie dla fizyków teoretyków i eksperymentatorów.

Kto musiałby zareagować szybciej: fizyk teoretyk czy fizyk eksperymentator?

– Teraz częściej teoria wyprzedza eksperyment, przynajmniej jeśli mówimy o fizyce cząstek elementarnych i wysokich energii. Jest wiele teorii, które czekają na eksperymentalną weryfikację. W historii fizyki nie brakuje jednak odkryć, które zaskakiwały przewidywania teoretyków...

Ale chyba nie w przypadku neutrin? Tu także teoria poprzedzała eksperyment...

– Rzeczywiście, Wolfgang Pauli, szwajcarski fizyk teoretyk, „wymyślił” tę cząstkę. W słynnym liście do fizyków z 1930 roku zaproponował istnienie neutrina po to, aby „uratować” fundamentalną w fizyce zasadę zachowania energii. Jednocześnie przewidywał, że neutrino może nie zostać nigdy odkryte ze względu na niezwykle małe prawdopodobieństwo oddziaływania neutrin z materią. Wbrew jego obawom dwadzieścia sześć lat później istnienie tej cząstki zostało eksperymentalnie potwierdzone przez Fredericka Reinesa i Clyde’a Cowana. Stało się to możliwe dzięki wykorzystaniu reaktora jądrowego w Stanach Zjednoczonych – reaktory jądrowe są bardzo intensywnymi źródłami neutrin. Potwierdzenie istnienia cząstki było pierwszym krokiem, który umożliwił późniejsze badanie ich właściwości.

Przejdźmy zatem do natury tych cząstek. Cztery lata temu rozmawialiśmy o trzech typach neutrin, zwanych zapachami: elektronowym, mionowym i taonowym. Tymczasem pojawiły się hipotezy dotyczące istnienia jeszcze jednego zapachu...

Prof. Jan Kisiel i prof. Carlo Rubbia, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1984) w ośrodku naukowo-badawczym CERN pod Genewą

– Model standardowy istotnie przewiduje tylko trzy wspomniane zapachy neutrin. Zaobserwowaliśmy jednak pewne anomalie w fizyce neutrin, a więc coś, co nie do końca jest zgodne z naszymi przewidywaniami. Podczas badania wiązki neutrin wysyłanej z reaktorów atomowych okazało się, że obserwowany strumień jest mniejszy niż oczekiwaliśmy. W eksperymencie LSND wykonanym w Stanach Zjednoczonych również odkryto pewne rozbieżności. Różnica nie jest wprawdzie duża, ale może okazać się istotna. Jednym z rozwiązań tej anomalii jest założenie istnienia czwartego typu neutrina, które nazwane zostało sterylnym. Jego nazwa wskazuje na inny niż w przypadku pozostałych trzech zapachów, sposób oddziaływania z materią. Jest to jednak cząstka hipotetyczna i musimy jeszcze poczekać na kolejne eksperymenty, dzięki którym naukowcy będą mogli udowodnić jej istnienie.

Jedno z zagadnień poruszonych podczas naszej ostatniej rozmowy dotyczyło tego, czy neutrino jest swoją własną antycząstką? Czy dziś fizycy wiedzą, jaka jest odpowiedź?

– Zanim odpowiem na to pytanie, chciałbym zwrócić uwagę na dwa możliwe rozwiązania. Jeśli okazałoby się, że neutri wówczas cząstki nie byłyby identyczne ze swoimi antycząstkami, tak jak to ma miejsce w przypadku pary elektron-pozyton. Nie mogliśmy jednak wykluczyć, że neutrino jest swoją własną antycząstką. Wówczas neutrina byłyby tak zwanymi fermionami Majorany. Gdyby okazało się, że neutrina należą do drugiej grupy, byłoby to znów niesłychanie ciekawe odkrycie. Obecnie najbardziej obiecującym sposobem poznania natury neutrin (cząstki Diraca bądź Majorany) jest badanie tak zwanego procesu podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Wymaga to jednak zgromadzenia bardzo dużej masy rzadkich jąder promieniotwórczych, mogących rozpadać się we wspomniany wyżej sposób. Takie eksperymenty są obecnie w fazie planowania bądź w początkowej fazie realizacji, więc może za klika czy kilkanaście lat poznamy odpowiedź na to pytanie.

Jakie właściwości neutrin badane są zatem w projekcie T2K?

– W tym eksperymencie, wykonywanym w Japonii, wykorzystujemy dwa detektory neutrin: bliski – ND280 i daleki – Super-Kamiokande. Jest to międzynarodowa współpraca, w której biorą udział fizycy z wielu krajów, także z Polski, z Krakowa, Warszawy, Wrocławia oraz Katowic. Najważniejszym do tej pory osiągnięciem eksperymentu T2K jest wyznaczenie wartości nieznanego parametru mieszania neutrin – tak zwanego kąta mieszania θ13. Poprzednie eksperymenty wykazały, że neutrina mają zdolność zmiany swojego zapachu na drodze od miejsca produkcji do detektora. Mieszanie neutrin jest możliwe dzięki temu, że każdy stan zapachowy neutrin jest mieszaniną trzech stanów masowych. W zależności od tego, jak owe masy się ułożą, otrzymujemy neutrino elektronowe, mionowe lub taonowe. Znając energię neutrin, drogę, jaką przebywają od miejsca produkcji do miejsca detekcji, wartości trzech kątów mieszania oraz dwie różnice kwadratów ich mas, możemy opisać zjawisko oscylacji neutrin, czyli zmiany zapachu.

Stosunkowo duża wartość kąta mieszania θ13 pozwala z optymizmem czekać na wyniki eksperymentów mogących odpowiedzieć na kolejne nurtujące fizyków pytanie o możliwość łamania symetrii CP (parzystości oraz ładunku) w sektorze leptonów, do których należą neutrina. Ponadto nadal nie znamy schematu masowego poszczególnych zapachów, dużym wyzwaniem jest także pomiar bezwzględnej wielkości masy neutrin. Jest to tak mała liczba, że nie podajemy jej w gramach, ale w elektronowoltach. Jak „zważyć” taką cząstkę? To następne wyzwanie, przed którym stoimy.

Na koniec chciałabym zapytać, jakie są losy doktorantów naszego uniwersytetu, którzy angażują się w międzynarodowe eksperymenty?

– Nasi doktoranci znani są z efektywnej i wysoko cenionej pracy w międzynarodowych projektach badawczych, nawiązują współpracę z naukowcami z całego świata. Wielu z nich otrzymuje propozycje stypendiów typu postdoc w zagranicznych jednostkach badawczych i w zasadzie jest to najczęściej wybierana droga przez tych, którzy chcą związać się na dłużej z nauką. Oczywiście zdarza się, że zmieniają zainteresowania, chociaż większość z nich pozostaje wierna fizyce wysokich energii. Sądzę, że wielu z nich po pobycie za granicą chętnie wróciłoby do Polski, a zadaniem nas wszystkich powinno być wykorzystanie ich ogromnej wiedzy i zapału poprzez umożliwienie znalezienia zatrudnienia w polskich uczelniach bądź instytutach badawczych.

Dziękuję za rozmowę.