How big is Neutrino?

Neutrino to cząstka elementarna, czyli taka, która według eksperymentów nie składa się z niczego mniejszego. Nie ma ładunku elektrycznego, a jego masa jest tak mała, że eksperymenty ustaliły dla niej tylko górną granicę. Żaden eksperyment nie zmierzył też jego rozmiaru, więc podany wyżej 1 joktometr nie jest pomiarem. Joktometr to 10⁻²⁴ metra, czyli bilionowa część bilionowej części metra.

Rozmiar

Neutrino nie ma powierzchni, którą można by zmierzyć. Zamiast tego fizycy obserwują, jak neutrina rozpraszają się na elektronach. Neutrino o pewnym rozmiarze, opisanym wielkością zwaną promieniem ładunkowym, rozpraszałoby się nieco inaczej niż punkt.

Eksperyment TEXONO na Tajwanie wychwycił antyneutrina, antymateryjne odpowiedniki neutrin, płynące z reaktora jądrowego oddalonego o 28 metrów. Rozpraszały się one na elektronach tak, jak przewiduje standardowa teoria cząstek, w granicach dokładności eksperymentu. Particle Data Group, która zbiera pomiary cząstek z całego świata, przyjmuje ten wynik z 2010 roku jako swoją granicę. Odpowiada to promieniowi ładunkowemu mniejszemu niż około 1,8 × 10⁻¹⁸ metra, czyli szerokości mniejszej niż około 3,6 × 10⁻¹⁸ metra.

Fizycy nie są zgodni, czy promień ładunkowy neutrina jest prawdziwym rozmiarem, więc tę wartość najlepiej traktować jako granicę dotyczącą tego, jak rozpraszają się neutrina. Pokazany w eksploratorze 1 joktometr leży daleko poniżej tej granicy, więc żaden eksperyment nie mógłby go potwierdzić ani wykluczyć.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) szerokości, jest około 460 razy szerszy niż górna granica dla neutrina.
Atom wodoru, który ma około 0,1 nanometra średnicy, jest prawie 30 milionów razy szerszy niż górna granica. Nanometr to miliardowa część metra.
Gdyby górną granicę powiększyć do szerokości ludzkiego włosa, czyli około 0,1 milimetra, proton miałby około 4,6 centymetra szerokości. Ludzki włos powiększony tak samo miałby około 2,8 miliona kilometrów szerokości, czyli około siedmiu razy więcej niż odległość od Ziemi do Księżyca.
Górna granica jest około 200 milionów miliardów (2 × 10¹⁷) razy większa niż długość Plancka, kolejny mniejszy obiekt w eksploratorze.

Cząstka-widmo

Wolfgang Pauli zaproponował istnienie neutrina w 1930 roku, aby wyjaśnić rozpad beta, rodzaj promieniotwórczości, w którym jądro atomowe emituje elektron. Wydawało się, że część energii znika, więc Pauli zasugerował, że unosi ją niewidzialna cząstka bez ładunku. Enrico Fermi nadał jej nazwę neutrino, po włosku „mały neutralny”.

Neutrina tak rzadko reagują z materią, że uważano je za niemal niemożliwe do wychwycenia. Frederick Reines i Clyde Cowan z Los Alamos w końcu je wykryli w zakładzie Savannah River Plant w Karolinie Południowej, wykorzystując potok antyneutrin z jego reaktora jądrowego. Odkrycie opublikowali w lipcu 1956 roku, a Reines otrzymał za nie część Nagrody Nobla z fizyki z 1995 roku.

Wszędzie i bardzo lekkie

Po fotonach, czyli cząstkach światła, neutrina są najliczniejszymi cząstkami we Wszechświecie. Wiele z nich powstaje w wyniku syntezy jądrowej w Słońcu. Około 66 miliardów neutrin ze Słońca dociera na każdy centymetr kwadratowy na Ziemi w każdej sekundzie, a prawie nic ich nie zatrzymuje.

Neutrina występują w trzech rodzajach: elektronowe, mionowe i taonowe. Takaaki Kajita i Arthur McDonald otrzymali w 2015 roku Nagrodę Nobla z fizyki za wykazanie, że neutrina zmieniają rodzaj w trakcie lotu, co oznacza, że muszą mieć masę. W 2025 roku naukowcy z eksperymentu KATRIN donieśli, że masa neutrina jest mniejsza niż 0,45 elektronowolta, jednostki energii, której fizycy używają też do podawania masy. Elektron ma ponad milion razy większą masę.