Οι Takaaki Kajita και Arthur McDonald, ερευνητές στους ανιχνευτές Super-Kamiokande στην Ιαπωνία και SNO (Sudbury Neutrino Observatory) στον Καναδά, τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2015 για τις πειραματικές τους μελέτες, μέσω των οποίων απέδειξαν το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων, σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα μπορούν και αλλάζουν «ταυτότητα», μεταπηδώντας από το ένα είδος νετρίνου στο άλλο. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει ότι τα «φευγαλέα» αυτά σωματίδια διαθέτουν μάζα.

Το νήμα της ιστορίας μας ξεκινά το 1930, μια εποχή όπου οι επιστήμονες μελετούσαν τη ραδιενεργό διάσπαση β, τη μετατροπή δηλαδή ενός νετρονίου από τον πυρήνα ενός ατόμου σε πρωτόνιο με την παράλληλη εκπομπή ενός ηλεκτρονίου.

Το περίεργο στοιχείο αυτής της διάσπασης ήταν ότι παραβίαζε, όπως νόμιζαν τότε οι φυσικοί, την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας, καθώς τα πειράματά τους έδειχναν ότι η ολική ενέργεια πριν τη διάσπαση του ατομικού πυρήνα ήταν μεγαλύτερη από την ολική ενέργεια μετά τη διάσπαση.

Την ευφυή λύση έδωσε ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Wolfgang Pauli (1900–1958), ο οποίος θεώρησε ότι αυτή η «χαμένη» ενέργεια μεταφέρεται από ένα ουδέτερο σωματίδιο το οποίο ήταν αδύνατο να ανιχνευτεί με την τεχνολογία της εποχής του. Το υποθετικό αυτό σωματίδιο ονομάστηκε νετρίνο και η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε το 1956 χάρη στα πειράματα των Clyde Cowan και Frederick Reines.

Στα χρόνια που μεσολάβησαν, οι γνώσεις μας γι’ αυτό το φευγαλέο σωματίδιο-φάντασμα αυξήθηκαν. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε σήμερα ότι τα νετρίνα συγκαταλέγονται ανάμεσα στα στοιχειώδη σωματίδια, από τα οποία αποτελείται η ύλη στο πιο θεμελιώδες της επίπεδο.

Γνωρίζουμε ακόμη ότι υπάρχουν τρία είδη ή «γεύσεις» νετρίνων, όπως τα ονομάζουν οι φυσικοί, καθένα από τα οποία σχετίζεται με ένα φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο, από το οποίο δανείζεται και το όνομά του.

Έτσι, το νετρίνο του ηλεκτρονίου σχετίζεται με το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο του μιονίου με το μιόνιο και το νετρίνο ταυ με το σωματίδιο ταυ (περισσότερες πληροφορίες για στοιχειώδη σωματίδια και θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στο θέμα του Ιουνίου 2008).

Όπως αποδείχτηκε αργότερα, το νετρίνο που ανακάλυψαν οι Cowan και Reines ήταν το νετρίνο του ηλεκτρονίου. Το νετρίνο του μιονίου ανακαλύφθηκε το 1962, ενώ μόλις το 2000 διεθνής ερευνητική ομάδα ανακοίνωσε την ανακάλυψη του νετρίνου ταυ.

Τα σωματίδια αυτά υπάρχουν σε τεράστιες ποσότητες στο Σύμπαν και μόνο τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι περισσότερα. Έχοντας, όμως, μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και (όπως γνωρίζουμε πλέον) απειροελάχιστη μάζα, δεν αλληλεπιδρούν παρά μόνο φευγαλέα με την υπόλοιπη ύλη, γι’ αυτό και η ανίχνευσή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη.

Και όμως, δεκάδες δισεκατομμύρια απ’ αυτά διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο το σώμα μας, προτού διασχίσουν τον ίδιο τον πλανήτη μας και συνεχίζουν το διαστημικό τους ταξίδι ανεπηρέαστα.

Γι’ αυτόν τον λόγο και οι πειραματικές διατάξεις που τα ανιχνεύουν αναγκαστικά καταλαμβάνουν πολύ μεγάλο όγκο, προκειμένου να τα εντοπίσουν. Το δεύτερο πρόβλημα που καθιστά δύσκολη την ανίχνευση των νετρίνων οφείλεται στην αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με τα σωματίδια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, μέσω της οποίας απελευθερώνονται πολλά άλλα σωματίδια, που «τυφλώνουν» τους ανιχνευτές νετρίνων.

Γι’ αυτό και κατά κανόνα οι ανιχνευτές νετρίνων κατασκευάζονται είτε βαθιά στο υπέδαφος, μέσα σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία, ώστε τα πετρώματα που τους περιβάλλουν να λειτουργούν ως ασπίδα, «φιλτράροντας» τα σωματίδια αυτά, είτε πιο πρόσφατα στα βάθη των θαλασσών ή ακόμη και κάτω από τους πάγους της Ανταρκτικής.

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τα νετρίνα σχηματίστηκαν σε τεράστιες ποσότητες στα πρωταρχικά στάδια εξέλιξης του «νεογέννητου» Σύμπαντος, ενώ παράγονται συνεχώς μέσα από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων και εκλύονται κατά την διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα.

Για αρκετό καιρό, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα και ότι για το λόγο αυτό ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, όπως δηλαδή και τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Ήδη όμως από τα μέσα της δεκαετίας του ‘60 αντιμετώπιζαν ένα παράδοξο: όταν προσπάθησαν να μετρήσουν πειραματικά τον αριθμό των νετρίνων που προέρχονται από τον Ήλιο και τον συνέκριναν με το θεωρητικά προβλεπόμενο αριθμό τους, βρήκαν ότι  ο αριθμός των ηλιακών νετρίνων που ανίχνευαν με τα επιστημονικά τους όργανα αντιστοιχούσε μόλις στο ένα τρίτο εκείνου που προέβλεπε η θεωρία. Το πρόβλημα αυτό έμεινε γνωστό ως το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

Τρεις μόνο ερμηνείες μπορούσαν να επιλύσουν το μυστήριο των χαμένων νετρίνων: είτε οι θεωρητικοί υπολογισμοί που αφορούσαν στον προβλεπόμενο αριθμό των παραγόμενων νετρίνων ήταν λανθασμένοι, είτε τα πειράματα ήταν λάθος, ή –και αυτή ήταν η πιο συναρπαστική ερμηνεία– οι γνώσεις των φυσικών για το πώς συμπεριφέρονται τα νετρίνα όταν διασχίζουν αστρονομικές αποστάσεις ήταν ελλιπείς.

Σ’ αυτήν ακριβώς την ερμηνεία φαίνεται πως είχε καταλήξει ο Ρώσος φυσικός Bruno Pontercovo (1913–1993) ήδη από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα, ο πρώτος που διερεύνησε την πιθανότητα τα νετρίνα να έχουν μη μηδενική μάζα, αλλά και να «μεταπηδούν» από το ένα είδος στο άλλο.

Η ερμηνεία αυτή, το γεγονός δηλαδή ότι τα νετρίνα αλλάζουν «γεύση», μεταπηδώντας από το ένα είδος στο άλλο, επιβεβαιώθηκε οριστικά με τα πειράματα των Kajita και McDonald. Δεδομένου, λοιπόν, ότι στο εσωτερικό του Ήλιου παράγονται αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίου, σύμφωνα με το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων, όπως ονομάστηκε, κάποια νετρίνα που ξεκίνησαν τη διαδρομή τους από τον Ήλιο ως νετρίνα ηλεκτρονίου φτάνουν στη Γη ως νετρίνα μιονίου ή νετρίνα ταυ.

Η «μεταμόρφωση» αυτή μπορεί να ερμηνευθεί μόνο με την βοήθεια της κβαντικής φυσικής, σύμφωνα με την οποία σωματίδια και κύματα είναι διαφορετικές εκφάνσεις της ίδιας φυσικής κατάστασης, ενώ για λόγους που δεν θα διερευνήσουμε περεταίρω αυτή μπορεί να συμβεί μόνο εάν τα νετρίνα έχουν μάζα.
 
Η πειραματική επιβεβαίωση ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, έστω και απειροελάχιστη, θεωρείται θεμελιώδους σημασίας, όχι μόνο για την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά και για την κοσμολογία.

π