Νετρίνο και η μελέτη των άστρων

Η αρχή της Επιστημονικής Μελέτης έγινε πριν από πολλά πολλά χρόνια, στην αρχή της Ιστορίας όταν ο άνθρωπος άρχισε να παρατηρεί τα άστρα. Τα μαθηματικά και η μέτρηση του χρόνου ξεκίνησαν με την ανάγκη των πρώτων παρατηρητών των ουρανίων σωμάτων να μετρήσουν και να καταγράψουν την θέση των άστρων παρατηρώντας το φως τους· ανιχνεύοντας (βλέποντας) τα φωτόνια, δηλαδή την  ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, και μάλιστα τα ορατά στον άνθρωπο μήκη κύματος της.

Από τότε, μέχρι μόλις “χθες”, το ορατό στον άνθρωπο φωτόνιο ήταν το μοναδικό σωματίδιο το οποίο μας πληροφορούσε για τα θαυμαστά που συμβαίνουν στα άστρα και το μόνο εργαλείο για να τα μελετήσουμε και να καταλάβουμε τον μηχανισμό της δημιουργίας, της ζωής και του θανάτου τους. “Πρόσφατα”, στον τελευταίο αιώνα, για την μελέτη των άστρων χρησιμοποιήθηκαν και φωτόνια σε άλλα μήκη κύματος, “ορατά” στα ραδιοτηλεσκόπια και στα τηλεσκόπια υπερύθρων και υπεριωδών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αλλά και έμμεσα, στοιχειώδη σωματίδια.

Όλα αυτά έχουν ένα βασικό μειονέκτημα: αλληλεπιδρούν με την ύλη ή με μεσοαστρικά μαγνητικά πεδία. Έτσι, το φωτόνιο, παραδείγματος χάριν, το οποίο εκπέμπεται από ένα άστρο με κατεύθυνση την γή, αν συναντήσει στην πορεία του ένα άλλο άστρο ή πλανήτη ή ακόμα κοσμική σκόνη ή θα “συγκρουστεί” με στοιχειώδη σωμάτια και τελικά να απορροφηθεί ή να αλλάξει διεύθυνση.

Το νετρίνο όμως, ένα άλλο σωματίδιο χωρίς φορτίο και σχεδόν μηδενική μάζα, τα τελευταία χρόνια υπόσχεται να ανοίξει νέους ορίζοντες στην μελέτη της φυσικής των άστρων.
Τα νετρίνο, λόγω του μηδενικού φορτίου και επειδή αλληλεπιδρούν μόνο μεσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης, αντιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη. Μπορεί ένα νετρίνο να περάσει μέσα από την γή ή τον ήλιο και να μην αλληλεπιδράσει με τους πυρήνες των ατόμων τους  μάλιστα το πιθανότερο είναι να μη αλληλεπιδράσει1. Επίσης λόγω του μηδενικού φορτίου δεν αλλάζει κατεύθυνση κατά την πορεία του μέσα στο σύμπαν. Συνεπώς αν παρατηρήσουμε την τροχιά ενός νετρίνο, μπορούμε να προσδιορίσουμε από πoιό σημείο του σύμπαντος προέρχεται  να κάνουμε δηλαδή αστρονομική παρατήρηση. Πάντως αυτή η μοναδικότητα του νετρίνο το κάνει να είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί.

Η ανακάλυψη των νετρίνο

Η ανακάλυψη των νετρίνο θυμίζει αστυνομική ιστορία. Από την εποχή των Curie ήταν γνωστή η πυρηνική διάσπαση, β‑διάσπαση, κατά την οποία ένας πυρήνας εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο, e‑, μετατρέπεται σε ένα άλλο πυρήνα· ωστόσο ενώ παρατηρήθηκε ότι διατηρείται το φορτίο,  δεν διατηρείται η ενέργεια και η ορμή όπως ήταν αναμενόμενο, αφού η ενέργεια πριν και μετά την διάσπαση είναι καθορισμένη από το είδος του αρχικού και τελικού πυρήνα και της κινητικής ενέργειας τους· το ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται κατά την διάσπαση  αυτή θα πρέπει να έχει συγκεκριμένη ενέργεια, ίση με την διαφορά των ενεργειών του τελικού από τον αρχικό πυρήνα. Όμως ο Chadwick, πρώτος, έδειξε ότι το ενεργειακό φάσμα των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι συνεχές. Συνεπώς δεν ισχύει η διατήρηση της ενέργειας και ορμής;;;!!!!

Την απάντηση σε αυτό το ερώτημα έδωσε ο Pauli to 1932. O Pauli θεώρησε ότι στην διάσπαση του πυρήνα πρέπει να παράγεται άλλο ένα σωματίδιο μηδενικής μάζας, δεν έχει φορτίο, έχει spin ½, κινείται με την ταχύτητα του φωτός και έχει ενέργεια τόση, όση χρειάζεται για να συμπληρώσει το “έλλειμμα” ενέργειας και ορμής που παρατηρούμε στο ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται. Το ονόμασε neutrino, ν, δηλαδή μικρό neutron2.
Σήμερα γνωρίζουμε ότι έχουμε τριών ειδών νετρίνο (netrino flavor), το νe, το νμ και το ντ, τα οποία συνδέονται με τα τρία λεπτόνια: το ηλεκτρόνιο, e, το μιόνιο, μ, και το tau, τ (και τα αντισωματίδια τους με τα αντίστοιχα αντινετρίνο). Αντίστοιχα, κατά την αντίδραση των νετρίνο με την ύλη παράγεται ανάλογα ένα e , ένα μ ή ένα τ. Χαρακτηριστικό είναι ότι τα νετρίνο, καθώς ταξιδεύουν, αλλάζουν είδος· το φαινόμενο ονομάζεται “ταλάντωση των νετρίνο” και έχει σχέση με την μάζα τους, η οποία είναι βέβαια πάρα πολύ μικρή, όχι όμως μηδενική.

Τα νετρίνο στον κόσμο

Ο αριθμός των νετρίνο τα οποία ταξιδεύουν σε κάθε κυβικό του σύμπαντος (και συνεπώς μέσα από το σώμα μας) είναι τεράστιος· είναι όμως τελείως ακίνδυνα για τον άνθρωπο αφού αντιδρούν σπάνια με την ύλη.
Τα περισσότερα  νετρίνο που υπάρχουν στον Κόσμο προέρχονται από την Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά όμως, λόγω της διαστολής του σύμπαντος, έχουν τώρα εξαιρετικά χαμηλή κινητική ενέργεια και μηδαμινή πιθανότητα ανίχνευσης. Ωστόσο υπάρχουν σε μεγάλη πυκνότητα· υπολογίζεται ότι υπάρχουν στο διάστημα 330 000 000 νετρίνο/m3 που προέρχονται από την μεγάλη έκρηξη.
Μεγάλο αριθμό νετρίνο χαμηλής ενέργειας εκπέμπει ο  Ήλιος μας όπως και όλοι οι αστέρες. Επίσης χαμηλής ενέργειας νετρίνο εκπέμπονται από ραδιενεργούς πυρήνες, από αντιδραστήρες ακόμα και από το “σώμα” μας  (από την διάσπαση του ελαχίστου ραδιενεργού ισοτόπου του καλίου, Κ40, που περιέχεται στο ανθρώπινο σώμα).
Επίσης νετρίνο παράγονται, στην γήινη ατμόσφαιρα, από τις αλληλεπιδράσεις της κοσμικής ακτινοβολίας με τα άτομα της ατμόσφαιρας.
Τα νετρίνο για αστρονομικές παρατηρήσεις είναι τα κοσμικά νετρίνο υψηλής ενέργειας· παράγονται από εξαιρετικά βίαιες διεργασίες σε ενεργούς πυρήνες  γαλαξιών, σε “εκλάμψεις” ακτίνων γάμα και αλλού. Τα νετρίνο αυτά ταξιδεύουν μέσα στο σύμπαν χωρίς να απορροφηθούν, χωρίς να αλλάξει η διεύθυνση τους, χωρίς να χάσουν ενέργεια. Αυτά αν και λίγα ανιχνεύονται ευκολότερα από τα νετρίνο χαμηλής ενέργειας καθώς η πιθανότητα αλληλεπίδρασης των με την ύλη αυξάνει με την αύξηση της ενέργειας τους. Παραδείγματος χάριν μόνο 1 στα 10 00 000 000 νετρίνο ενέργειας περίπου 1GeV, αφού διασχίσουν και χωρίς καν να “καταλάβουν” την γή,  αλληλεπιδρά και ανιχνεύεται στον ανιχνευτή του Super-Kamiokande. Αντιθέτως νετρίνο  με ενέργεια 1PeV απορροφώνται από την γή και δεν φθάνουν στον ανιχνευτή.

Τηλεσκοπία νετρίνο

Η τηλεσκοπία νετρίνο έχει σκοπό να ανιχνεύσει αυτά τα υψηλοενεργειακά νετρίνο. Τα νετρίνο, αν αλληλεπιδράσουν, ανάλογα με το είδος τους, θα μας δώσουν ένα e ή ένα μ ή ένα tau. Τα σωματίδια αυτά, κινούμενα σε ένα διαφανές μέσο, εκπέμπουν φωτόνια Cherenkov. Από τα σωματίδια αυτά, το e θα διανύσει μικρή απόσταση, θα απορροφηθεί από το μέσο και θα χάσει την αρχική του διεύθυνση (λόγω του μαγνητικού πεδίου της γής και της μικρής μάζας του), συνεπώς θα ανιχνευθεί δύσκολα και δεν θα μας δώσει πληροφορία για την διεύθυνση του νετρίνο. Επίσης το tau, θα διανύσει πολύ μεγάλες αποστάσεις (δεκάδων km) πριν απορροφηθεί και θα μας δώσει λίγη πληροφορία στις πεπερασμένες διαστάσεις του ανιχνευτή. Τελικά, το πλέον κατάλληλο σωματίδιο για να παρατηρήσουμε αστρικά νετρίνο είναι το μ.

Το μιόνιο θα έχει σχεδόν την ίδια διεύθυνση του νετρίνο από το οποίο παρήχθη και θα διανύσει μερικές εκατοντάδες μέτρα πριν σταματήσει (παραδείγματος χάριν μιόνιο ενέργειας μερικών TeV θα διανύσει μερικά km μέσα στο νερό). Κατά την διάρκεια αυτής της πορείας του, το μιόνιο θα εκπέμπει φωτόνια ακτινοβολίας Cherenkov τα οποία θα έχουν μία αυστηρά καθορισμένη γωνία με την τροχιά του μιονίου.  Τα φωτόνια αυτά μπορούν, πριν αποροφηθούν, να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις (δεκάδες μέτρα στα πολύ καθαρά νερά που βρίσκουμε στο πυθμένα του Ιονίου Πελάγους). Αν ο ανιχνευτής μας αποτελείται από συστοιχίες φωτοπολλαπλασιαστών3 τα φωτόνια φτάνουν στους φωτοπολλαπλασιαστές με διαφορά χρόνου, ανάλογα σε πιο σημείο της τροχιάς γεννήθηκαν και πόσο απέχει αυτό το σημείο από τον φωτοπολλαπλασιαστή που ανίχνευσε το φωτόνιο. Από αυτούς τους χρόνους μπορούμε να υπολογίσουμε την τροχιά του μιονίου, δηλαδή του νετρίνο που το δημιούργησε. Συνεπώς μπορούμε να προσδιορίσουμε από πιο σημείο του ουρανού ήρθε. Να κάνουμε αστρονομία.

Τηλεσκόπιο ΝΕΣΤΩΡ

Βαθιά, 4000m στον βυθό του Ιονίου Πελάγους και κοντά στο βαθύτερο σημείο της Μεσογείου,  περίπου 30 km ΝΔ από την Μεθώνη, ποντίστηκε το 2003 το πρότυπο  Υποβρύχιο Τηλεσκόπιο Νετρίνο, NESTOR4 με τον Πολυεπιστημονικό Εργαστήριο Βαθιάς Θάλασσας ΛΑΕΡΤΙΣ συνδεδεμένα με την ξηρά με ήλεκτρο-οπτικό καλώδιο (Εικόνα 1).
Ένα τηλεσκόπιο νετρίνο βαθιάς θάλασσας ανιχνεύει φωτόνια της ακτινοβολίας Cherenkov που παράγονται από μιόνια, όταν αυτά διασχίσουν ένα διαφανές μέσο όπως το νερό. Τα μιόνια που παρατηρούμε, έχουν παραχθεί από νετρίνο (σήμα) ή από αντιδράσεις κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα (κοσμικά μιόνια, θόρυβος). Θόρυβο έχουμε επίσης από τις διασπάσεις του Κ40 και από την βιοφωταύγεια. Και το σημαντικότερο, το τηλεσκόπιο νετρίνο προσπαθεί να ανιχνεύσει νετρίνο τα οποία έρχονται περνώντας μέσα από την γη.
Οι πιο σημαντικές προϋποθέσεις για έναν ανιχνευτή νετρίνο βαθιάς θάλασσας ικανοποιούνται απόλυτα στην περιοχή αυτή της Μεσογείου: Καθαρό νερό (με μικρό συντελεστή απορρόφησης του φωτός), βαθιά θάλασσα (για να απορροφάει μεγάλο μέρος τον ατμοσφαιρικών μιονίων), μικρή απόσταση από την ξηρά (για μικρό μήκος ήλεκτρο-οπτικού καλωδίου μέσω του οποίου παρέχομε ισχύ στον ανιχνευτή και μεταφέρουμε τα δεδομένα στην ξηρά), χαμηλές ταχύτητες υποθαλάσσιων ρευμάτων (για να μην αναπτύσσονται μηχανικές καταπονήσεις στο ανιχνευτή), επίπεδη και πλατιά επιφάνεια του βυθού (για μελλοντική ανάπτυξη, με πόντιση περισσοτέρων ανιχνευτικών μανάδων),  σταθερές γεωλογικές και περιβαλλοντολογικές συνθήκες (για μεγάλη διάρκεια ζωής του ανιχνευτή) και βιολογικώς πτωχά νερά (για ελάττωση του θορύβου από βιοφωταύγεια).

Το Πανευρωπαϊκό τηλεσκόπιο νετρίνο KM3NeT

Η εξέλιξη αυτής της προσπάθειας σε Πανευρωπαϊκό επίπεδο είναι η μελέτη για την κατασκευή ενός τηλεσκοπίου νετρίνο μεγέθους τουλάχιστον ενός κυβικού χιλιομέτρου, το KM3NeT5. Το KM3NeT θα είναι ένα διεπιστημονικό εργαστήριο βαθιάς θάλασσας στη Μεσόγειο, με καινοτόμες δυνατότητες ανίχνευσης νετρίνο και μελέτης στην Αστροσωματιδιακή Φυσική  και των περιβαλλοντικών μελετών· μια κοινή υποδομή για μακροχρόνια και συνεχή λειτουργία του τηλεσκοπίου νετρίνο και ωκεανογραφικών οργάνων. Θα είναι συνδεδεμένο με την ξηρά με δίκτυο ήλεκτρο-οπτικών καλωδίων μέσω του οποίου θα παρέχεται ενέργεια στο τηλεσκόπιο και θα μεταφέρεται η πληροφορία στην ξηρά σε πραγματικό χρόνο.

Συνεχίζοντας τον δρόμο που άνοιξε το πείραμα NESTOR αλλά και το γαλλικό πείραμα που ακολούθησε, το ANTARES, το KM3NeT θα ξεπεράσει σε ευαισθησία το IceCube6, το τηλεσκόπιο νετρίνο το οποίο έχει αναπτυχθεί στους πάγους και ήδη λειτουργεί στον Νότιο Πόλο· αυτή την στιγμή (2013) είναι το πιο ευαίσθητο τηλεσκόπιο νετρίνο στον κόσμο.

Ο κύριος στόχος του KM3NeT είναι η παρατήρηση των κοσμικών πηγών νετρίνο με την πόντιση συστοιχιών μονάδων Οπτικών Μονάδων με φωτοπολλαπλασιαστές σε μεγάλο βάθος. Θα μελετηθεί ο ουρανός ιδιαίτερα σε περιοχή συμπληρωματική ως προς το “οπτικό” πεδίο του IceCube. Η παρατήρηση αυτή ενισχύεται με την δυνατότητα επέκτασης του KM3NeT σε μεγαλύτερο όγκο. Επίσης η διαυγέστερη θάλασσα του Ιονίου επιτρέπει τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του νετρίνο με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Σε αυτή την προσπάθεια συμμετέχουν αρκετές ελληνικές ερευνητικές ομάδες από πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα, τα οποία μέχρι τώρα, με χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση συμμετείχαν στην μελέτη και το σχεδιασμό του KM3NeT. Τώρα, στην φάση της πραγματοποίησης, η οποία απαιτεί εθνικούς πόρους τα πράγματα είναι «σκούρα», αφού δεν έχουμε σχετική ελληνική χρηματοδότηση.

Παραπομπές:

1. Η πιθανότητα αλληλεπίδρασης εξαρτάται από την ενέργεια του νετρίνο και μεγαλώνει με την αύξηση της ενέργειας. Παραδείγματος χάριν, τα χαμηλής ενέργειας νετρίνο μπορούν να διαπεράσουν μόλυβδο πάχους μερικών δεκάδων ετών φωτός χωρίς να αλληλεπιδράσουν.
2. Το 1934, ο Anderson ανακάλυψε το αντισωματίδια του ηλεκτρονίου, το ποζιτρόνιο και την β+-διάσπαση. Τώρα, το σωματίδιο που παράγεται στην β‑διάσπαση το λέμε αντινετρίνο (το αντισωματίδιο του νετρίνο) ενώ αυτό της β+‑διάσπασης, νετρίνο.
3. Ηλεκτρονικές μονάδων που μπορούν να ανιχνεύσουν ακόμα και ένα φωτόνιο
4. www.nestor.noa.gr 
5. www.km3net.org
6. icecube.wisc.edu