Neutrinoa, unibertsoaren gakoa
(Oharra: Testua ongi ikusteko jo ezazu PDF-ra).
Mileto-ko Leuzipo eta bere ikasle izan zen Demokrito filosofo greziarrek K.a. IV. mendean atomoaren kontzeptua aurkeztu zutenez geroztik, urte asko igaro dira XX. mendearen hasiera aldean atomoaren barne-egitura zehaztu arte. Atomoaren egituraz ikerlari mordoxkak (Thomson, Rutherford, Bohr,...) teoria desberdinak plazaratu izan ditu eta gaur egun ondoko ideia daukagu; atomoa sistema planetarioaren antzekoa da, eguzkiaren lekuan nukleoa eta planeten ordez elektroiak daudelarik. Beraz, atomoak bi zati ditu: nukleoa eta geruza. Nukleoan protoia eta neutroia daude, bertan atomoaren masa eta karga positiboa aurkituz. Geruzan, aldiz, elektroiak kokatzen dira, nukleoaren inguruko orbitaletan biratzen dutelarik.
Dena den, Henri Becquerel-ek 1896.ean zenbait elementuren nukleoek, desintegrazen direnean, elektroiak igortzen zituztela detektatu zuen. Baina, nukleoan elektroirik ez badago, zer dela eta emititzen dituzte elektroiak? Galdera honi erantzun ahal izateko, atomoaren osagai diren pozoi, neutroi eta elektroiaren masen balioei so egin beharko genieke. Izan ere, neutroiaren masa protoiaren eta elektroiaren masen batura baino handiagoa da. Beraz, neutroiaren bidez, hots, neutroia “apurtuz”, protoi bat eta elektroi bat sor daitezke nonbait.
Ideia hau proposatu eta urte batzuetara nukleotik banandutako neutroiaren jokabidea aztertu zen. Inolako interakziopean ez dagoen neutroia 15en bat minuturen buruan desintegratu egiten zela ondorioztatu zen, protoi bat eta elektroi bat sortuz. Hala ere, ez dugu pentsatu behar nukleo guztietako neutroiak desintegratu egiten direnik. Nukleoak gehiegizko neutroiak izatekotan, gehiegizko horiek desintegratuko lirateke sobera dituen neutroiak desagerterazi arte. Nukleo bateko neutroia desintegratzean nukleoak protoi bat gehiago izango du eta elektroia egotzia izango da. Nukleoen desintegrazio-prozesu honi β emisio deritzo.
Ondorengo urteetan zenbait nukleoren β emisio-prozesuaren energi balantzea egin zen eta energiaren eta masaren kantitateak erreakzioan zehar ez zirauela ikusi zuten ikerlariek. Jakina denez, fisikaren ikuspegitik erreakzioan zehar energiak konstante iraun beharko luke.
Honen aurrean 1937an Wolfgang Pauli fisikari austriarrak erreakzioan falta zen energia β emisio-prozesuan ikusterik egon ez zen partikula berri batek berekin zeramala esan zuen. Partikula berri honi oso ezaugarri bitxiak leporatu zitzaizkion, makina bat nukleoren β emisioan detektatu ez arren. Ez zuen ez kargarik ez masarik, eta argiaren abiaduraz higitzen zen. Ezaugarri hauek kontutan hartuta, ez da harritzekoa garai hartan zegoen tresneria zela bide detektatu ez izana. Enrico Fermi-k partikula berri honi neutrino izena jarri zion eta berak egindako kalkuluen arabera nukleo erradioaktiboek igorritako neutrinoek Lurra eta Eguzkiaren arteko distantzia baino 109 aldiz handiagoa den ur-multzoa zeharkatuko lukete inolako elkarrekintzarik izan gabe. Iragarritakoaren aurrean neutrinoaren detektatze-lana oso lehiatsua izango zela pentsatu zen. Beraz, lan teorikoa utzi eta esperimentazioari ekin zioten fisikariek.
Garai hartan fisio bidezko erreaktore nuklearren ikerkuntza oso aurreratuta zegoen. Jakina denez, erreaktore nuklearretan erabiltzen den uranio elementuaren desintegrazio-prozesuan zehar elementu betaigorleak sortzen dira. Hortaz, neutrino-iturri ezin hobea aurkitua zutelakoan, detektatze-prozesuari hasiera eman zioten. 1946an Bruno Pontecorvo-k neutrinoak detektatzeko lehenengo saioa prestatu zuen. Baina kale egin zuen; ez bait zuen ezer detektatu. Partikula-fisikan egindako aurrerapausoak zirela eta, neutroiaren desintegrazioaren ondorioz neutrinoa sortu beharrean antineutrinoa sortzen zela frogatu zuten fisikariek. Eta Pontecorvo-ren saioa neutrinoa detektatzeko zen.
Clyde L. Cowan-ek eta Frederick W. Reines-ek B. Pontecorvo-ren saioaren berri izan zutenean, Estatu Batuetako Los Alamos ikergunean antineutrinoa detektatzeko esperimentua proiektatu zuten, berorretarako Hegoaldeko Karolina-n kokaturiko erreaktore nuklearra erabili zutelarik. Erreaktore nuklear honek 1013 antineutrino zentimetro karratuko eta segundoko emititzen zituen.
Beraz, neutrinoaren materiarekiko elkarrekintza oso urria izan arren, hainbeste neutrinotatik bat edo beste detekta zitekeela pentsatu zuten. Izpi kosmiko eta erreaktore nuklearraren hondo-erradiazioaren interferentzi fenomenorik egon ez zedin, detektagailua metal- eta lur-geruza batez babestu eta meategi sakon batera sartu zen. Hiru urteren buruan beren ahaleginen ordaina jaso zuten. 1956.ean orduko hiru antineutrino detektatu zituzten. Izan ere, 25 urte igaroak ziren Pauli-k partikula berri honen existentzia iragarri zuenetik.
Fisikarientzat ondorengo erronka neutrinoa harrapatzea zen. 1956.etik aurrera astronomiaren gorakada zela eta, izarren ezagutzan aurrerapauso handiak eman ziren; hala nola, izarren osagai nagusiena hidrogenoa zela frogatu zen, gehienetan masaren %70 osatuz eta izar-energia barnean gertatzen diren fusio-erreakzioetan sortzen zela ere bai, neutrino mordoxka sortuz. Eginiko kalkulu teorikoen arabera Eguzkitik Lurrera 109ren bat neutrino orduko eta zentimetro karratuko heltzen zaizkigu. Dena dela, antineutrinoaren aurkikuntza korapilotsua izan bazen, eguzkitiko neutrinoen detektatze-prozesua ere lehiatsua izango zela espero zen.
1955az geroztik Bruokharen National Laboratory-ko Raymond R. Davis ikerlari amerikarra burubelarri sartu zen eguzkitiko neutrinoen ikerkuntzan. 1968an lehenengo emaitzak plazaratu zituen eta kalkulu teorikoek iragarri zuten neutrino-kopuruaren erdia baino gutxiago neurtu zuen Davis-ek. Emaitza honen aurrean ikerlariek era guztietako azalpenak plazaratu zituzten. Batzuen eritziz, eguzkairen barnean gertatzen den fusio-prozesua azaltzeko eredu teorikoa baztertu behar zen. Beste batzuek neutrinoaren masa ez zela nulua esaten zuten.
Gaur egun neutrinoaren auziak pil-pilean dirau eta proiektu bat baino gehiago darabilte fisikariek. Esaterako, galio elementuaren bidezko detektagailuez egindako zenbait saiok emaitza baikorrak erakutsi ditu. Heidelberg-eko Max Planck fisika nuklearraren institutuan aurreratu samarturik daude galio bidezko detektagailuetan oinarrituriko esperimentuak. Bestalde, 1990.aren ingururako Italiako Gran Sasso tunelean galioaren bidezko tresneria sofistikatua instalatuko omen dute. Sobietar Batasunean fisikariek energia txikidun neutrinoen ikerkuntzan dihardute. Ikusten denez, ez dago proiektu faltarik, eta oso itxaropentsu egon gaitezke neutrinoaren auzian.
Izan ere, azken urteotan astronomia zein astrofisikaren alorretan egindako aurrerapausoek agerian utzi dute unibertsoaren ezagutzan neutrinoen rola gero eta nabarmenagoa dela. Berriki astrofisikariek izarren eboluzioa nola suertatzen den azaltzeko eredu teorikoa lortu dute, gorabehera batzuk oraindik azaltzeke dauden arren. Oraintsu neutrinoek izarren eboluzioan garrantzi handia dutela frogatu da. Izarra jaio eta beren osagai nagusi den hidrogenoaren fusio-erreakzioak hasten dira, helioa sortuz.
Hidrogenoa agortu eta helioa fusionatu egiten da. Eta horrelaxe segitzen du izarrak bere eboluzioan erregaia agortu arte. Eboluzioaren azken aroan protoiak eta elektroiak elkartu egiten dira, neutroiak eta neutrinoak sortuz. Neutrinoek une horretan izar barnetik alde egiten dute argiaren abiaduraz eta espazioan zehar higitzen dira. Une horretan izarra lehertu egiten da eta supernobaren leherketa izenaz ezagutzen da fenomeno hori. Neutrinoen ikuspegitik izar baten supernobaroa eta bere leherketa oso garrantzitsuak dira; alde batetik bi une horietan neutrino franko sortzen delako eta, bestetik, izarraren energiarik gehien-gehiena berekin daramatelako.
1987.eko otsailaren 7an supernoba baten leherketa lehenengo aldiz detektatu eta Japonia, Sobietar Batasuna, Italia eta Estatu Batuetako neutrino-behatokietako ikerlariek martxan ipini zuten beren tresneria. Neutrinoen “ehiztariek” lau ordu t’erdiko tarteaz bi neutrino-multzo detektatu zituzten eta bi multzoak detektatu izanaren zergati zehatzik jakin ez arren, gertakari honen inguruko ikerlanak aurrera doaz. Supernoba honen neutrinoen bidez, unibertsoaren jatorria eta geroa jakin genitzake nonbait.
Gogora dezagun unibertsoa ez dela estatikoa eta, Big Bang edo leherketa handiaz geroztik, etengabe hedatzen ari dela. Baina, gaur eguneko astrofisikariek ondoko galdera darabilte buruan: unibertsoa etengabe hedatuko al da ala hedatzeari utzi eta uzkurtu egingo da?. Galdera honi erantzuteko unibertsoaren materiaren dentsitatea eta bere hedapenaren instentsitate edo erritmoaren arteko erlazioa ezagutu beharko genuke. Hedapenaren intentsitatea unibertsoaren dentsitatearen funtziopean dagoenez, dentsitatearen balio jakin bat dagokio; balio kritiko deritzona.
Astrofisikariek eginiko garapen matematikoen arabera unibertsoaren dentsitatea bere balio kritikoa baino 10 aldiz txikiagoa da. Beraz, grabitate-indarrak ez du unibertsoaren hedapena geldi eraziko. Dena den, Big Bang-en arabera leherketa handia suertatu zenean sortutako protoi eta elektroi bakoitzeko 109 neutrino sortu ziren eta, beraien energia txikia izan arren, gaur egun oraindik unibertsoan zehar higitzen ari dira, lehen esan bezala materiarekin oso gutxi interakzionatzen dutela eta. Eta gainera unibertsoaren jaiotzaz geroztik gaur egunerarteko denboraldian (15x109 urte) sortu den neutrino-mordoa kontutan hartuz eta neutrinoak masarik izango balu, unibertsoaren masa neutrinotan egongo bide litzateke, hots, unibertsoak leporatu ohi zaion masaren bikoitza izango luke, dentsitatea balio kritikoa baino handiagoa izango litzatekeelarik. Beraz, uzkurpen-prozesua susper liteke.
Baina, neutrinoek ba ote dute masarik? Neutrinoekin egindako esperimentuak urri direla eta, gaur egun astrofisikariek ez dute froga sendorik auzi honetan beren emaitzak ematen dituztenean. Oraintsu arte neutrinoek masarik ez dutela uste izan arren, 1980.ean Moskuko Unibertsitateko fisikariek buruturiko esperimentu batzuk aspaldiko eritzi hori okerra izan daitekeela plazaratu dute. Esperimentuotan lortu dituzten emaitzen arabera neutrinoari (27,9 eV) 5 x 10–35 kg-ko pausaguneko masa leporatu diote.
Nahiz eta ezagutzen ditugun gainerako partikulen masekin alderatuz oso txikia izan, unibertsoko neutrinoen dentsitatea (109 n/m3) handia denez, neutrino guztien masa izar guztiena baino handiagoa izan liteke. Texas-eko unibertsitateko fisikarien ustez neutrinoaren masa esaterako 5 x 10–34 kg-koa izango balitz, galaxien eraketa bestelakoa izango litzateke eta beronek unibertsoaren hedapen-prozesuari nabarmenki eragingo lioke. Hortaz, kontura gaitezen neutrinoaren masa kalkulatzerakoan egin beharreko esperimentuak zehaztasun handiz burutu beharko direla.
Bestalde, leherketa handiaren ondorioz sortutako neutrinoak detektatzerik izango gabenu, Big Bang teoriak unibertsoaren lehenengo segundorako aurresaten dituen ideiak baiezta genitzake. Ondikoz neutrino horiek oso energia txikia dutenez, zailak izango dira detektatzen gaur eguneko tresneria dela bide. Askoren aburuz neutrinoa “masa iluna” da, zeinak unibertsoaren hedapena geldi erazi eta uzkurpena suspertzeko moduko grabitazio-erakarpena sor bait dezake. Somatzen denez, neutrinoen astronomiaren hastapenean gaude.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
