Model Standardowy wciaż standardowy...

...a Ogólna Teoria Względności nic nie straciła ze swej ogólności. W tym tygodniu ogłoszono wyniki eksperymentów, które miały zweryfikować słuszność niektórych założeń tych teorii.

Pierwszym z nich był MiniBooNE - pierwsza faza Booster Neutrino Experiment, który badał oscylacje neutrin: wypełniających wszechświat niezwykle lekkich i przenikliwych cząstek elementarnych. Ich istnienie przewidział w 1931 roku niemiecki fizyk Wolfgang Pauli, jednak eksperymentalne potwierdzenie przyszło dopiero 55 lat później. Trudność w obserwacji neutrin wynika z tego, że niezwykle słabo oddziałują one z materią: chociaż w każdej sekundzie przez nasze ciało przelatują ich biliony, jednak w ciągu całego naszego życia zaledwie kilka z nich zostanie zatrzymanych. Co więcej, aby skutecznie osłonić się przed promieniowaniem neutrinowym, musielibyśmy otoczyć Ziemię pancerzem z ołowiu grubości wielu lat świetlnych!

Oznacza to, że konstrukcja detektorów neutrin nie jest prostym zadaniem. MiniBooNE to zakopana pod ziemią sfera o średnicy 12 metrów, wypełniona 800 tonami oleju mineralnego. Na jej ścianach zainstalowano 1280 fotodetektorów, które mają za zadanie rejestrować błyski promieniowania Czerenkowa powstające przy zderzeniach neutrin (generowanych przez znajdujący się pół kilometra dalej akcelerator) z olejem. Eksperyment trwał od roku 2002 do 2005, w czasie którego rejestrowano średnio jedno neutrino co 20 sekund.

Po co tyle zachodu? Obowiązująca teoria cząstek elementarnych i oddziaływań, zwana Modelem Standardowym, przewiduje istnienie trzech rodzajów ('zapachów') neutrin: elektronowych, muonowych i tau. Przez wiele lat nie wiadomo było, czy posiadają one masę, czy są cząstkami bezmasowymi, jak fotony. Posiadanie przez nie masy oznaczałoby, że mogą one 'oscylować', to znaczy zmieniać się z jednego rodzaju w drugi. Że tak jest faktycznie, odkryto w 1998 roku dzięki japońskiemu detektorowi Super-Kamiokande.

W tym samym jednak roku dane z innego detektora, LSND, wzbudziły poważne wątpliwości, czy przedstawiony wyżej schemat z trzema neutrinami Modelu Standardowego jest prawdziwy. Wyniki LSND sugerowały istnienie dodatkowego rodzaju tzw. 'sterylnych neutrin', które byłyby jeszcze trudniejsze do zaobserwowania niż pozostałe. MiniBooNE skonstruowano właśnie po to, by rozstrzygnąć tę hipotezę.

Ogłoszone w środę wyniki kilkuletniego eksperymentu są dość jednoznaczne: nie potwierdzono danych zebranych przez LSDN. Co prawda pewna anomalia pomiarowa wciąż istnieje, nie wykluczono też bardziej egzotycznych scenariuszy oscylacji neutrin, jednak Model Standardowy został ocalony.

Tymczasem dzisiaj, na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, ogłoszono wstępne wyniki pomiarów przeprowadzonych przez satelitę Gravity Probe B (GP-B). Satelita ten miał dokonać pomiarów dwóch fenomenów przewidywanych przez Ogólną Teorię Względności: efektu geodetycznego oraz wleczenia metryki, będących manifestacją sposobu, w jaki Ziemia deformuje czasoprzestrzeń wokół siebie.

Jak dotąd, tego testy dotyczyły wyjątkowo ekstremalnych obiektów, takich jak czarne dziury, zaś dotychczasowe próby zmierzenia wleczenia metryki (słabszego z tych efektów) w bardziej normalnych warunkach wzbudziły wiele kontrowersji.

Eksperyment przeprowadzany przez GP-B jest bardzo prosty - założenia misji opracowano już w 1959 roku, a NASA rozpoczęło jego finansowanie w roku 1964 - jednak wymagał takiej precyzji i zaawansowanych technologii, że dało się go wykonać dopiero po czterdziestu latach badań. Rdzeń sondy zawiera zespół czterech najdoskonalszych żyroskopów na świecie - wirujących kwarcowych kul o niemal idealnym (z dokładnością do 40 atomów) kształce - umieszczonych w ogromnym termosie, które przez dwa lata utrzymywały temperaturę 1.8 stopnia powyżej zera bewzględnego. Przed zakłóceniami magnetycznymi cała aparatura chroniona jest nadprzewodzącą osłoną.

Jeśli Ogólna Teoria Względności jest słuszna, oś obrotu żyroskopu powinna ulegać zmianom w wyniku efektu geodetycznego (o 0.0018 stopnia w przeciągu roku) i wleczenia metryki (o 0.000011 stopnia - taki rozmiar kątowy ma ludzki włos oglądany z odległości 400 metrów!). Układem odniesienia dla tej zmiany stała się odległa gwiazda IM Pegasi, w którą wycelowano znajdujący się na GP-B teleskop, i przez czas trwania eksperymentu utrzymywano sondę w tym samym kierunku.

Wstępne wyniki analizy danych zbieranych przez GP-B, które udostępniono dzisiaj, jednoznacznie potwierdziły istnienie efektu geodetycznego, z dokładnością większa niż 1%. Niestety, zgodnie z obawami sprzed kilku miesięcy, odkryte w międzyczasie subtelne zakłócenia w działaniu żyroskopów i czujników uniemożliwiają na razie uzyskanie jednoznacznego dowodu na wleczenie metryki. Naukowcy oceniają, że uwzględnienie tych drobnych anomalii i ponowna analiza danych zajmie im dodatkowe 8 miesięcy.