A është enigma e madhe e neutrinos duke treguar ekzistencën e grimcave të pazbuluara të universit?

Në vitin 1993, thellë nën tokë në Laboratorin Kombëtar të Los Alamos në Nju Meksiko, disa ndezje drite brenda një rezervuari vaji të madhësisë së një autobusit nisën një histori detektive që ende nuk ka arritur në përfundimin e saj. Detektori i Neutrinove me Scintilatorin e Lëngshëm (LSND) po kërkonte për shpërthime rrezatimi të krijuara nga neutrinot, grimcat më të lehta dhe më të pakapshmet nga të gjitha grimcat elementare të njohura. “Për habinë tonë, kjo është ajo që pamë”, tha Bill Louis, një nga drejtuesit e eksperimentit.

Problemi ishte se ata panë shumë. Teoricienët kishin supozuar se neutrinot mund të luhateshin midis llojeve ndërsa fluturonin përgjatë – një hipotezë që shpjegonte vëzhgime të ndryshme astronomike. LSND kishte vendosur të testonte këtë ide duke synuar një rreze neutrinos muonike, një nga tre llojet e njohura, drejt rezervuarit të naftës dhe duke numëruar numrin e neutrinos elektroneve që mbërritën atje. Megjithatë, Louis dhe ekipi i tij zbuluan shumë më tepër neutrino elektronike që mbërrinin në rezervuar sesa parashikonte teoria e thjeshtë e lëkundjeve të neutrinos.

Që atëherë, janë ndërtuar dhjetëra eksperimente të tjera neutrino, secili më madhështor se i fundit. Në male, shpella minerare të papërdorura dhe akullin nën Polin e Jugut, fizikanët kanë ngritur katedrale për këto grimca famëkeqe të rrëshqitshme. Por ndërsa këto eksperimente hetuan neutrinot nga çdo kënd, ata vazhduan të jepnin fotografi kontradiktore se si sillen grimcat. Komploti vazhdon të trashet, tha Louis.

“Është një histori shumë konfuze. Unë e quaj atë Kopshti i Shtigjeve Forking”, tha Carlos Argüelles-Delgado, një fizikant neutrino në Universitetin e Harvardit. Në tregimin e shkurtër të Jorge Luis Borges të vitit 1941 me atë titull, koha degëzohet në një numër të pafund të ardhmesh të mundshme. Me neutrinot, rezultatet kontradiktore i kanë dërguar teoricienët në një sërë rrugësh, të pasigurt se cilat të dhëna duhet t’i besojnë dhe cilat mund t’i çojnë ata në rrugë të gabuar. “Ashtu si çdo histori detektive, ndonjëherë ju shihni të dhëna dhe ato ju hedhin në drejtimin e gabuar,” tha Argüelles-Delgado.

Shpjegimi më i thjeshtë i anomalisë LSND ishte ekzistenca e një lloji të ri, të katërt të neutrinos, të quajtur neutrinoja sterile, që përzien të gjitha llojet e neutrinos sipas rregullave të reja. Neutrinot sterile do t’i lejonin neutrinot muonore të lëkunden më lehtë në neutrinot elektronike në distancën e shkurtër deri te rezervuari i naftës.

Por me kalimin e kohës, neutrinoja sterile nuk u përshtatej rezultateve të eksperimenteve të tjera. “Ne kishim teorinë tonë kampione, por problemi ishte se diku tjetër ajo dështon keq”, tha Argüelles-Delgado. “Ne ishim shumë thellë në pyll dhe duhej të dilnim jashtë.”

Të detyruar të ndjekin hapat e tyre, fizikanët kanë rimenduar atë që fshihet pas rrëmujës së sugjerimeve dhe gjysmë rezultateve. Vitet e fundit, ata kanë shpikur teori të reja që janë më të ndërlikuara se neutrina sterile, por të cilat, nëse janë të sakta, do të revolucionarizojnë tërësisht fizikën – duke zgjidhur anomalitë në të dhënat e lëkundjeve të neutrinos dhe mistere të tjera të mëdha të fizikës në të njëjtën kohë. Jo më pak, modelet e reja paraqesin neutrino të rënda shtesë që mund të përbëjnë materien e errët, sendet e padukshme që mbulojnë galaktikat që duket se janë katër herë më të bollshme se materia normale.

Tani, katër analiza të publikuara dje nga eksperimenti MicroBooNE në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit Fermi pranë Çikagos dhe një studim tjetër i fundit nga detektori IceCube në Polin e Jugut, të dyja sugjerojnë se këto teori më komplekse të neutrinos mund të jenë në rrugën e duhur – megjithëse e ardhmja mbetet larg. nga e qartë.

“Ndihem sikur diçka është në ajër,” tha Argüelles-Delgado. “Është një mjedis shumë i tensionuar që tregon drejt zbulimit.”

Kur Wolfgang Pauli postuloi ekzistencën e neutrinës në vitin 1930 për të shpjeguar se ku po zhdukej energjia gjatë kalbjes radioaktive, ai e quajti atë një “ilaç të dëshpëruar”. Konstrukti i tij teorik nuk kishte ngarkesë në masë ose elektrike, duke e bërë atë të dyshonte se një eksperiment mund ta zbulonte ndonjëherë atë. “Është diçka që asnjë teoricien nuk duhet ta bëjë kurrë”, shkroi ai në ditarin e tij në atë kohë. Por në vitin 1956, në një eksperiment jo ndryshe nga LSND, aty ishte neutrinoja.

Triumfi shpejt u shndërrua në konfuzion kur fizikanët zbuluan neutrinot që vinin nga dielli, një burim natyror i grimcave, dhe gjetën më pak se gjysmën e numrit të parashikuar nga modelet teorike të reaksioneve bërthamore të yjeve. Në vitet 1990, ishte e qartë se neutrinot po silleshin në mënyrë të çuditshme. Jo vetëm që neutrinot diellore dukej se zhdukeshin në mënyrë misterioze, por po ashtu edhe neutrinot që bien në Tokë kur rrezet kozmike përplasen me atmosferën e sipërme.

Një zgjidhje, e propozuar më herët nga fizikani italian Bruno Pontecorvo, ishte se neutrinot janë ndërruesit e formës. Ashtu si shumë grimca elementare, ato vijnë në tre lloje: neutrinot elektron, muon dhe tau. Pra, në vend që të tërheqin një akt zhdukjeje, sugjeroi Pontecorvo, neutrinot mund të transformohen midis këtyre specieve ndërsa ata udhëtonin. Disa nga neutrinot e elektroneve të nxjerra nga dielli, për shembull, mund të shndërrohen në neutrino muonike dhe kështu duket se zhduken. Me kalimin e kohës, teoricienët filluan një përshkrim se si neutrinot luhaten midis llojeve në varësi të energjisë së tyre dhe distancës së udhëtimit që përputhej me të dhënat që vijnë nga dielli dhe qielli.

Por ideja e neutrinos që ndryshon formën ishte e vështirë për shumë fizikantë. Matematika funksionon vetëm nëse secila prej tre specieve të neutrinos është një përzierje mekanike kuantike e tre masave të ndryshme – me fjalë të tjera, ndryshimi i formës do të thotë që neutrinot duhet të kenë masë. Por Modeli Standard i fizikës së grimcave, grupi i mirë-testuar i ekuacioneve që përshkruan grimcat dhe forcat e njohura elementare, i konsideron pa mëdyshje neutrinot pa masë.

Dielli dhe atmosfera janë të ndërlikuara, kështu që LSND u ndërtua me një burim të dedikuar neutrino për të kërkuar prova më përfundimtare të ndryshimit të formës. Studiuesit shpejt e gjetën atë. “Ne po merrnim një kandidat çdo javë apo më shumë,” tha Louis. Në vitin 1995, New York Times botoi një histori në lidhje me neutrinot e eksperimentit që ndryshojnë formën në faqen e saj të parë.

Kritikët e eksperimentit LSND vunë në dukje burimet e gabimit në detektorë dhe ndërhyrjet e mundshme nga burimet natyrore të neutrinos. Edhe shkencëtarët që mbështetën idenë se neutrinot lëkunden dhe kanë masë, nuk u besuan numrave të LSND, sepse shkalla e lëkundjeve të supozuara tejkaloi shpejtësinë e nënkuptuar nga neutrinot diellore dhe atmosferike. Të dhënat diellore dhe atmosferike sugjeruan që neutrinot të luhaten midis tre specieve të njohura të neutrinos; duke shtuar një të katërt, neutrinon sterile – i quajtur kështu sepse nuk duhet të ndiejë forcën që lidh elektronet, muonet dhe neutrinot tau në dallime me atomet, duke i bërë ato të dallueshme – përshtatet më mirë me të dhënat e LSND.

Një seri eksperimentesh përfundimtare të lëkundjeve të neutrinos në fund të viteve 1990 dhe në fillim të viteve 2000 të quajtura SNO, Super-K dhe KamLAND mbështetën fuqimisht modelin e lëkundjeve me tre neutrino, duke çuar në një çmim Nobel për disa nga studiuesit e përfshirë. Neutrinoja e katërt e supozuar, sterile fshihej në hije.