Laborator gigantic, pentru un mic secret din „reţeta“ materiei

Din ce sunt făcute lucrurile din lumea aceasta? Din ce este alcătuită o piatră? Dar o rază de lumină? Care sunt fărâmele ultime ale obiectelor sau lucrurilor pe care le avem la îndemână în experienţa noastră zilnică? Pentru descifrarea unui infim amănunt din „reţeta“ materiei, se construieşte, la Polul Sud, un laborator de 1 km3 şi aproape 300 de milioane de dolari.

Ne-am obişnuit să adresăm o astfel de întrebare nu filosofilor, ca odinioară, ci fizicienilor. În drumul întortocheat către ultimii constituenţii ai materiei, fizicienii au continuat să despice în fragmente tot mai mici mostre de materie aflate la îndemână. Mărunţită tot mai mult, materia şi-a dezvăluit structura ei: mai întâi, moleculele şi atomii, apoi nucleul şi electronii ce alcătuiesc atomii, şi mai apoi, protonii şi neutronii ce formează nucleele tuturor atomilor. În acest fel, fizica a arătat că obiectele materiale şi corpurile vietăţilor sunt alcătuite din câţiva constituenţi fundamentali.

Dar şi razele de lumină au fost cercetate amănunţit. Prin mai multe rezultate remarcabile, s-a putut dovedi că o altă particulă fundamentală alcătuieşte lumina. Aceasta, denumită foton, este diferită, desigur, de electron, de proton sau de neutron. Epopeea către fundamentele materiei a continuat. În secolul trecut, s-a descoperit faptul că protonii şi neutronii ce alcătuiesc nucleul atomilor sunt şi ei alcătuiţi din particule mai mici, numite cuarci. Pe de altă parte, în radiaţiile cosmice, dar şi în acceleratoarele de particule, fizicienii au descoperit o întreagă listă de particule, cu diverse proprietăţi. Plecând de la aceste rezultate, cercetătorii au alcătuit o listă a constituienţilor fundamentali, numită Modelul Standard. Această listă conţine toate particulele care alcătuiesc obiectele experienţei noastre directe sau care sunt responsabile de interacţiunile cunoscute în Univers.

Neutrinii - particule stranii

Cunoaşterea precisă a proprietăţilor particulelor din Modelul Standard, şi a ponderilor pe care acestea le au în Universul fizic, reprezintă o provocare pentru cercetările actuale. Aceasta întrucât unele particule sunt foarte greu de detectat şi au proprietăţi dificil de evidenţiat experimental.

Între particulele misterioase cu miză serioasă în cercetarea actuală sunt neutrinii (Datele actuale arată că sunt trei feluri de neutrini). Toţi neutrinii cunoscuţi au masa foarte redusă (aproximativ 5,310 x 10-35 kg, sau, într-o altă formă 30 eV), ceea ce face ca ei să interacţioneze foarte slab gravitaţional. Ei sunt neutri electric, deci nu interacţionează electromagnetic, putând spre exemplu să treacă neperturbaţi prin vecinătatea unei suprafeţe încărcate electric, de felul celei pe care o creează electronul în jurul nucleului. Ei nu interacţionează nici tare, ceea ce înseamnă că nu pot fi captaţi în nici un fel în interiorul nucleului unui atom. În rezumat: neutrinii au masă foarte mică, interacţionează foarte slab gravitaţional, şi sunt „insensibili“ la sarcina electrică şi la interacţiunile din nucleu.

Ce antrenează aceste proprietăţi? O comportare surprinzătoare! Neutrinii pot străbate reţele moleculare şi atomice întregi, pot trece prin tot Pământul, prin coprul nostru, prin interiorul tuturor moleculelor şi prin atomii, fără să ciocnească nimic, fără să încetinească şi fără să devieze de la traiectoria lor! Or, aceasta face detectarea neutrinilor extrem de dificilă. Calculele arată că un neutrin ar trebui să călătorească prin plumb 4 ani lumină (adică să străbată circa 40 de milioane de miliarde de milioane de kilometri) înainte de a interacţiona cu un nucleu. Ei, pur şi simplu, par să nu „simtă“ substanţa prin care trec.

Dacă există totuşi o şansă ca aceste particule să poată fi detectate, ea vine din faptul că neutrinii sunt foarte numeroşi! Potrivit predicţiilor, pentru fiecare atom din univers există un număr estimat de 100 de milioane de neutrini. Dar de ce sunt importanţi neutrinii? Mult timp s-a considerat că neutrinul ar avea masă de repaus nulă. Faptul că neutrinii au masa nenulă (aprox. 30 eV), şi pentru că sunt extrem de numeroşi, ei ar putea contribui la explicarea, chiar şi în parte, a materiei întunecate ale cărei efecte gravitaţionale sunt evidente, dar despre a cărei structură care nu se cunoaşte nimic.

Detectoare gigantice, pentru particule minuscule

Dacă o ploaie deasă de câteva miliarde de neutrini ar cădea peste o zonă special amenajată cu detectori de particule, şansele unei ciocniri între un neutrin şi un atom de substanţă ar creşte considerabil, iar detectoarele instalate acolo ar putea chiar să înregistreze această coliziune, dând informaţii precise despre viteza neutrinului, despre direcţia lui etc. Pe Pământ, ploaia de neutrini este asigurată. Potrivit unor calcule confirmate de observaţii recente, 15 de milioane de neutrini sunt emişi de Soare, pe fiecare centimetru pătrat, în fiecare secundă! Ceea ce mai trebuie, pentru ca neutrinii să fie studiaţi, sunt detectoarele de neutrini.

Tehnologia a permis în ultimele decenii construcţia unor detectoare de neutrini impresionante. În Japonia, există un astfel de detector (Super-Kamiokande), instalat sub Pământ. 50.000 de tone de apă purificată sunt monitorizate de detectoare de neutrini, pregătite să înregistreze trecerea acestora sau coliziunea lor cu atomii moleculelor de apă. În Canada, există, de asemenea, un alt detector, amenajat într-o mină la adâncime, care are un rezervor de 1.000 de tone de apă purificată, în care au fost montate mii de detectori de particule.

▲ Laborator de 1 km3, în gheaţa Polului Sud

Cel mai mare complex pentru detectarea de neutrini, de până acum, se află în construcţie în ghiaţa Polului Sud terestru. Scopul principal este acela de a pune în evidenţă neutrinii ce străbat în permanenţă Pământul. Vor fi detectaţi neutrinii ce vin direct din spaţiul cosmic, dar şi cei ce urcă de jos în sus, prin solul terestru, venind din partea opusă, şi care au traversat întreg Pământul.

Dimensiunile IceCub sunt impresionante. Zona din interiorul calotei de gheaţă în care sunt amplasate detectoarele de neutrini, atinge în adâncime, peste 2,4 kilometri. Detectoarele sunt amplasate într-o zonă atât de mare, încât pot intra, în picioare, una peste alta, cinci dintre cele mai înalte clădiri ale lumii: Sears Tower (Chicago, 441 de metri), Empire State Building (New York, 381 de metri), Turnul din Taipei (509 metri), Turnurile Petronas (Kuala Lumpur, 452 de metri) şi Turnul Jin Mao (Shangai, 420 de metri). Volumul total al gheţii unde sunt amplasate detectoare de particule este de 1 kilometru cub!

Proiectul IceCube angajează investiţii din SUA, Germania şi Suedia, în valoare totală de 271 de milioane de dolari, iar construcţia va fi dată în folosinţă în 2011. În cadrul complexului IceCube vor lucra în total 400 de cercetători, iar media celor ce vor sta acolo mai mult de câteva luni pe an este de peste 100. Dimensiunile impresionante ale acestui proiect încurajează aşteptări optimiste privind proprietăţile neutrinilor. (Datele despre IceCube au fost preluate din websitul oficial http://icecube.wisc.edu/ index.php)