נייטרינו

נֵייטְרִינוֹ או ניוטרינו (Neutrino, באיטלקית: "נייטרון קטן") הוא חלקיק יסודי פרמיוני, המהווה לפטון נטול מטען חשמלי. הספין של הנייטרינו הוא . לפי מדידות שנעשו עד 2017, סכום מסות שלושת הטעמים של הנייטרינו הוא כ-. זו היא המסה הנמוכה ביותר של חלקיק מסיבי כלשהו. רק פוטונים וגלואונים הם בעלי מסה נמוכה יותר – מכיוון שאין להם מסה כלל.

לנייטרינו אין מטען חשמלי או מטען צבע. לכן, הוא לא מגיב לכוח האלקטרומגנטי ולכוח החזק. חלקיקי נייטרינו מושפעים בעיקר מהכוח החלש. ההסתברות לאינטראקציה של נייטרינו עם אטומי החומר דרכו הוא עובר היא נמוכה מאוד. לדוגמה, נדרש קיר עופרת בעובי מספר שנות אור על מנת לחסום מחצית מכמות חלקיקי הנייטרינו העוברים דרכו. גלאי נייטרינו מכילים מאות טונות של חומר, אולם בממוצע, רק אטומים בודדים מתוכו מגיבים לפגיעת נייטרינו במהלך יממה אחת.

בהתפרצות סופרנובה, רוב האנרגיה מוקרנת בצורת שטף חלקיקי נייטרינו, המיוצרים כשפרוטון ואלקטרון בליבה מגיבים זה עם זה ויוצרים נייטרון. במהלך שלב ההתכווצות, הצפיפות בליבת הסופרנובה, שהיא כ-1014 גרם/סמ"ק, מאפשרת יצירת שטף של חלקיקי נייטרינו, אותם ניתן לגלות גם במרחקים גדולים מאוד. ההוכחה הניסויית הראשונה לתופעת ההתכווצות של סופרנובה ויצירת שטף חלקיקי הנייטרינו הושגה ב-1987, כשהתגלו חלקיקי נייטרינו מסופרנובה 1987A. ההתפרצות התרחשה במרחק של 51.4 קילופארסק מכדור הארץ.

גילוי החלקיק
ההשערה בדבר קיומו של הנייטרינו הועלתה לראשונה על ידי וולפגנג פאולי ב-1930 על מנת להסביר את בעיית איבוד התנע בתהליך התפרקות בטא. פאולי הציע כי חלקיק שטרם נתגלה נושא את עודף האנרגיה וכינהו "נייטרון", אולם ב-1932 ניתן שם זה לחלקיק שונה לגמרי שהתגלה על ידי ג'יימס צ'דוויק. בשלב זה היו שני חלקיקים שונים שנשאו את השם "נייטרון".  אנריקו פרמי נשאל האם הוא אותו "חלקיק פאולי" והשיב כי "חלקיק פאולי אינו נייטרון אלא נייטרינו" (כלומר נייטרון קטן באיטלקית), וכך קיבל החלקיק שם חדש. על פי התיאוריה של פרמי להתפרקות בטא, החלקיק שגילה צ'דוויק יתפרק לפרוטון, אלקטרון ולחלקיק נייטרלי קטן (שכיום נקרא אנטינייטרינו אלקטרוני): 

ב-1933 חישב פאולי את תכונות החלקיק המשוער.

הנייטרינו התגלה ניסיונית, על ידי צוות בראשות קלייד קוואן ופרדריק ריינס, רק ב-1956, בניסויים בכור הגרעיני "סוואנה ריבר", למעלה מ-30 שנה אחרי שנחזה קיומו, משום שהתגובה שלו עם אטומי חומר שדרכו הוא עובר היא מזערית, ולפיכך היה צורך במכשור רגיש במיוחד. בשנת 1962, צוות פיזיקאים בראשות ליאון לדרמן גילה סוג שני של נייטרינו, שאותו כינו נייטרינו מואוני, ובשנת 1975, צוות של פיזיקאים בראשות מרטין פרל גילה סוג שלישי של נייטרינו, אותו הם כינו נייטרינו טאואוני. ב-2015 שני חוקרים, טקאקי קג'יטה היפני וארתור מקדונלד הקנדי, זכו בפרס נובל לפיזיקה על הוכחה לכך שלחלקיקי נייטרינו יש מסה.

סוגי הנייטרינו
קיימים שלושה סוגי נייטרינו שונים מבחינת הטעם. כל אחד מאלו משתייך לדור שונה של המודל הסטנדרטי: נייטרינו אלקטרוני νe (דור ראשון), נייטרינו מואוני νμ (דור שני) ונייטרינו טאואוני ντ (דור שלישי). לכל אחד מהם יש גם אנטי-חלקיק, האנטינייטרינו. ייתכן שהנייטרינו והאנטינייטרינו הם למעשה אותו חלקיק; אם כך, הנייטרינו הוא פרמיון מאג'ורנה. השערה זו לא הוכחה. לנייטרינו ולאנטינייטרינו יש כמה מספרים קואנטיים שונים זה מזה, לרבות המספר הלפטוני (1 עבור נייטרינו;  עבור אנטינייטרינו) והאיזוספין החלש ( עבור נייטרינו;  עבור אנטינייטרינו).

הנייטרינו האלקטרוני הוא הסוג הנפוץ ביותר של נייטרינו. הוא מופק בדעיכת בטא פלוס. אנטינייטרינו אלקטרוני מופק בדעיכת בטא מינוס.

נייטרינו מהשמש
בניסיונות לבדוק את התהליכים המתרחשים בליבת השמש נבנו גלאים למדידת שטף הנייטרינו מהשמש (מכונים גם "נייטרינו סולארי"). גלאים אלו נבנו במעבה האדמה על מנת לסנן רעש רקע של חלקיקים אחרים, אך הצליחו לגלות רק שליש מכמות הנייטרינו שציפו החוקרים למצוא. הפתרון לבעיה הוצע על ידי גריבוב ופונטרקורבו ב-1969 ואומת בניסויים ב-2002. גריבוב ופונטרקורבו הוכיחו כי בדרך בת שמונה הדקות מהשמש לכדור הארץ, שני שלישים מהנייטרינו מתנודדים בין נייטרינו אלקטרוני כפי שנוצר בליבת השמש ושאותו בלבד מדדו עד כה לבין שני סוגי הטעמים האחרים.

במשך שנים הייתה היפותזה רווחת כי כמויות נייטרינו גדולות יכולות להוות את החומר האפל החם, שהוא אחד מההסברים למסה החסרה ביקום. כיום ברור שכמויות הנייטרינו אינן יכולות לתרום חלק משמעותי ממנו. תצפיות קוסמולוגיות תוחמות את התכונות של הנייטרינו.

נייטרינו מבלאזר
ב-22 בספטמבר 2017, גלאי הנייטרינו IceCube גילה את IceCube-170922A, חלקיק נייטרינו באנרגיה של 290 טריליון אלקטרון וולט. לאחר תצפיות נמצא שמקורו בבלאזר, חור שחור מסוג קוואזר, הרחוק מאיתנו 3.7 מיליארד שנות אור, שמפנה את הסילון שלו לכיווננו. כך למעשה נפתחה דרך חדשה לחקר היקום, בגילוי ומציאת מקורות אנרגיה גבוהה.

מהירות החלקיק
מהירותו של נייטרינו ככל הנראה קרובה מאוד למהירות האור. שטף הנייטרינו מסופרנובה 1987A הגיע לכדור הארץ בערך באותו הזמן עם שטף הפוטונים.

ב-22 בספטמבר 2011 התפרסם מאמר על ידי מדענים מ-CERN לפיו בניסויים שנערכו במשך 3 שנים, נמדדה לחלקיק נייטרינו מהירות הגבוהה ממהירות האור, גילוי שאינו עולה בקנה אחד עם תורת היחסות הפרטית. מיד לאחר הגילוי פרץ גל של תאוריות המנסות להסביר את משמעותו והשלכותיו על הפיזיקה המודרנית. בפברואר 2012 נתגלה שכבל אופטי היה מחובר בצורה רופפת לאחד מהשעונים האטומיים שמדדו את זמן היציאה וההגעה של הנייטרינו, ולכן יש צורך לבדוק מחדש את התוצאות. ביוני אותה שנה, לאחר בדיקה מחודשת, נמצא שמהירות הנייטרינו קטנה ממהירות האור.

ראו גם
המודל הסטנדרטי
מיון החלקיקים
גלאי נייטרינו

לקריאה נוספת
פתרונה של בעיית הנויטרינו מן השמש, מהדורת Scientific American בעברית (הוצאת אורט) גיליון 7 (אוק' נוב' 2003)

קישורים חיצוניים

מרים לוירר, חידת הנייטרינו של השמש

 
200 פיזיקאים מהעולם אישרו: אין עדות לניוטרינו רביעי, באתר ynet, 28 בנובמבר 2021

הערות שוליים

לפטונים
הכוח החלש