56. Co nieco o neutrinach

Chyba każdy (lub prawie każdy 🙂 ) potrafi wymienić podstawowe cegiełki materii – przede wszystkim te, z których składają się atomy: protony, neutrony i elektrony. Zapewne dużo mniejsze grono wymieni jeszcze fotony (które należą do innej grupy cząstek – do nośników oddziaływań). Jednak subatomowe zoo jest o wiele liczniejsze, a dzieje jego badań stanowią fascynującą opowieść o zmaganiu się uczonych z poszerzaniem granic poznania. Dziś chciałbym napisać o jednej z tych cząstek, zwanej neutrinem, gdyż historia jego odkrycia jest pięknym przykładem naukowego rozumowania. Najpierw wysunięto hipotezę mającą wyjaśnić niezrozumiałe rezultaty niektórych badań, a potem zyskała ona potwierdzenie dzięki kolejnym wynikom eksperymentów.

Dzieje pogoni za neutrinem rozpoczynają się od odkrycia promieniotwórczości. Jak wiemy, naturalne izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania: αβ i γ, przy czym dwa pierwsze są rodzajami promieniowania korpuskularnego i towarzyszą im reakcje rozpadu, a ostatni jest emisją kwantów energii w wyniku przejścia jądra ze stanu o wysokiej energii (jądra wzbudzonego) do stanu o niższej energii.

Promieniowanie korpuskularne to rodzaj promieniowania będącego strumieniem jakichś cząstek, np. wiatr słoneczny jest rodzajem promieniowania korpuskularnego złożonego z protonów. Drugim rodzajem promieniowania jest promieniowanie elektromagnetyczne złożone z kwantów energii – tu przykładami są światło albo promieniowanie γ. Wbrew wysiłkom foliarzy póki co nie udało się potwierdzić istnienia żadnego trzeciego rodzaju promieniowania. Trudno sobie zresztą wyobrazić, jaki miałoby mieć charakter.

Promieniowanie β, będące w istocie strumieniem elektronów, jest rezultatem rozpadu β, czyli spontanicznego rozpadu neutronu na proton i elektron:

n⁰ → p⁺ + e

Jak widać, w powyższym procesie spełniona jest zasada zachowania ładunku, której natura przestrzega ściślej niż zasady zachowania materii. W przemianach promieniotwórczych zasada zachowania materii nie jest spełniana, ponieważ część materii może przejść w energię lub odwrotnie. Zatem ściśle spełniana jest zasada zachowania materii i energii.

Jednak dokładne zbadanie procesu rozpadu β przyniosło zaskakujące wyniki: otóż wydawało się, że narusza on również tę ostatnią zasadę! Powstające w nim cząstki – proton i elektron – miały łącznie za małą energię. Jej teoretyczną wartość można obliczyć ze słynnego wzoru Einsteina E = mc²:

E = m[neutron]c² – (m[proton]c² + m[elektron]c²) = 0,8 MeV

Gdzieś zatem energia się gubiła… Ale była i druga zagadka. Rozpadowi β może też ulegać neutron, który nie znajduje się w jądrze atomowym (w istocie izolowany neutron ulega mu nawet szybciej, jego okres półtrwania wynosi zaledwie 880 sekund). Teoretycznie proton i elektron powstałe z rozpadającego się nieruchomego neutronu powinny się rozbiegać w dokładnie przeciwnych kierunkach, czyli pod kątem 180° (mówi o tym kolejna fizyczna reguła – zasada zachowania pędu). Jednak obserwacje rozpadających się neutronów pokazały, że tak nie jest! Proton i elektron rozbiegały się w kierunkach tworzących kąt mniejszy niż 180°.

Rozwiązanie obu tych problemów nasuwało się samo… No, może niezupełnie i nie każdemu. Nasunęło się jednak Wolfgangowi Pauliemu, który w 1931 roku (jeszcze przed potwierdzeniem istnienia neutronu przez Chadwicka!) postulował, że „brakującą” energię unosi jakaś trzecia cząstka powstająca w rozpadzie β, na razie nieznana. I że ucieka ona z miejsca rozpadu neutronu w takim kierunku, że zasada zachowania pędu pozostaje zachowana.

Tajemnicza cząstka

Niestety poszukiwania tej nieznanej cząstki przez wiele lat nie przynosiły rezultatu. Przypuszczano, że musi ona bardzo słabo oddziaływać z materią (to, że nie ma ładunku elektrycznego, było natychmiastowym wnioskiem z zasady zachowania ładunku). Enrico Fermi nadał jej wobec tego nazwę „neutrino”, która po włosku oznacza „neutronek, mały neutron”. Rzeczywiście, neutrino powstające w rozpadzie β bez trudu przenika całą kulę ziemską (dokładniej rzecz biorąc jest to antyneutrino, ale to nie jest w tej chwili istotne). Procesy termojądrowe zachodzące w Słońcu są źródłem nieustającego strumienia neutrin, który przez cały czas przenika przez naszą planetę i nasze ciała, nie powodując żadnych konsekwencji. Dzieje się tak nawet w nocy, tylko wtedy ów strumień nie pada na nas z góry, a z dołu!

Eksperymenty mające na celu wykrycie neutrina zaczęły wobec tego zmierzać do wykorzystania jego liczebności. W 1956 roku użyto do tego reaktora jądrowego w Savannah River w USA, który wytwarzał w wyniku rozpadów promieniotwórczych ponad milion milionów neutrin na sekundę na centymetr kwadratowy. Działaniu tego strumienia neutrin poddawano ustawione w odpowiednim miejscu bloki kadmu. W końcu Clyde Cowan i Frederick Reines zdołali zaobserwować produkty uderzenia neutrin w atomy metalu. Wskutek trudnych do zrozumienia decyzji Komitetu Noblowskiego na Nagrodę Nobla za to niezwykle ważne odkrycie musieli poczekać aż do 1995 roku! Wcześniej jednak uzyskali innego rodzaju satysfakcję – otóż wkrótce po opublikowaniu koncepcji „dodatkowej” cząstki Pauli, w przekonaniu, że neutrina nie da się zarejestrować, obiecał, że postawi skrzynkę szampana naukowcom, którzy potwierdzą istnienie tej cząstki. I dotrzymał obietnicy 25 lat później.

To jednak jeszcze nie był koniec kłopotów z neutrinem. Przez długi czas nie było pewności co do tego, czy ta cząstka ma masę (konkretnie – czy ma niezerową masę spoczynkową). Znalezienie odpowiedzi na to pytanie było jeszcze trudniejsze niż samo wykrycie neutrina. Przyczyną było oczywiście bardzo słabe oddziaływanie neutrina z materią. Znamy cząstki pozbawione masy, ale są to nośniki oddziaływań: foton (elektromagnetyzm) i gluon (silne oddziaływania jądrowe); bezmasowy jest też prawdopodobnie hipotetyczny grawiton (grawitacja). Neutrino należy natomiast do fermionów, czyli cząstek o spinie połówkowym, oddziałującym jedynie za pośrednictwem grawitacji i oddziaływań słabych. Podobnie jak elektron, neutrino ma jeszcze dwa cięższe odpowiedniki, czyli istnieją trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe (mion i taon są cięższymi odpowiednikami elektronu). Mało tego – dla każdego neutrina istnieje odpowiednik należący do antymaterii, czyli antyneutrino.

Model standardowy zakładał, że neutrina mają zerową masę spoczynkową. Było to jednak tylko założenie, które należało potwierdzić – bądź obalić. Dokonano tego za pomocą jednego z najbardziej niezwykłych i największych przyrządów fizycznych: obserwatorium Super-Kamiokande w Japonii. Zasadniczą częścią tego obiektu jest wielki zbiornik o wysokości i średnicy 40 metrów, znajdujący się na głębokości 1000 m pod ziemią w kopalni Mozumi i wypełniony ultraczystą wodą. Ściany tego zbiornika pokrywa od wewnątrz trzynaście tysięcy fotodetektorów.Zasada działania tego obserwatorium polega na tym, że oddziaływanie neutrin z jądrami atomowymi cząsteczek wody może wytworzyć elektron lub pozyton (antyelektron, cząstkę należącą do antymaterii) poruszający się z prędkością większą niż prędkość światła w wodzie. Taka cząstka emituje promieniowanie Czerenkowa, będące odpowiednikiem gromu dźwiękowego powstającego przy przekroczeniu prędkości dźwięku w ośrodku. I to promieniowanie, w tym przypadku należące do zakresu światła widzialnego, jest wykrywane przez fotodetektory.

Nie zagłębiając się w fizyczny formalizm eksperymentu, wykrywa się w ten sposób kierunek nadlatującej cząstki i to, jakiego rodzaju jest to neutrino: elektronowe, mionowe czy taonowe. Wykrycie różnych rodzajów neutrin dowodziłoby, że cząstki mają masę. Zjawisko to udało się wykryć w 1999 roku w strumieniu neutrin pochodzących ze Słońca. Takaaki Kajita z Japonii i Arthur B. McDonald z Kanady (gdzie prowadzono siostrzany eksperyment w obserwatorium znajdującym się 2100 m pod ziemią, w kopalni Creighton Mine) otrzymali za wykrycie tzw. oscylacji neutrin, potwierdzającej, że neutrina mają masę, Nagrodę Nobla z fizyki w 2015 roku.

Neutrina mają zatem niezerową masę spoczynkową, aczkolwiek bardzo małą: sumaryczna masa neutrina elektronowego, mionowego i taonowego jest mniejsza niż jedna milionowa masy elektronu. Jest to najlżejsza znana cząstka.

[Źródła: F. Close, Kosmiczna cebula, PWN, Warszawa 1989; G. Kane, Supersymetria, Prószyński i S-ka, Warszawa 2006; L. M. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 2012; L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 2015]

Pluszowe cząstki – The Particle Zoo | The Particle Zoo

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.