Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część czwarta

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część trzecia

Fizyków głowiących się nad pozornym łamaniem zasad zachowania w rozpadzie beta pozostawiliśmy w latach 30. XX wieku. Rozwiązanie nad wyraz eleganckie w swej prostocie zaproponował Wolfgang Pauli. Neutron miał przemieniać się w proton z jednoczesną emisją elektronu i nowej cząstki nie przenoszącej ładunku elektrycznego, która miała unosić część energii kinetycznej tego rozpadu. To tłumaczyło, dlaczego elektrony mają różne energie, a ładunek pozostaje zachowany.

Chociaż jest to niezłe wyjaśnienie obserwowanego zjawiska, to taka teoria jest niewiele warta, dopóki postulowana cząstka nie zostanie zaobserwowana lub jej istnienie nie zostanie dowiedzione pośrednio. No i z tym Pauli miał twardy orzech do zgryzienia – no bo jak zaobserwować cząstkę tego rodzaju? Bezpośrednie obserwacje to oczywisty absurd. Takie coś jest po prostu zbyt małe, aby to położyć pod jakikolwiek mikroskop, również elektronowy, sił jądrowych etc. Ta cząstka dodatkowo ma nie posiadać ładunku elektrycznego, co wyklucza próby wykorzystania pola elektromagnetycznego. Postulowany obiekt na dokładkę nie oddziałuje z siłami jądrowymi spajającymi jądro atomowe, a bezpośrednie próby pomiaru wskazują, że jeśli takie coś istnieje, to jego masa jest nieodróżnialna od zera.

Nie ma znaczenia, jakich użyjemy magnesów lub z czego zostanie wykonany detektor – ta cząstka z założenia nie bierze udziału w tych oddziaływaniach. No i mamy takie rozwiązanie problemu, że stanowi ono problem samo w sobie: każda teoria jest warta tyle, na ile sprawdzalne są jej postulaty. W tej wszystko pasuje, ale jak złapać postulowanego ducha? Tu Pauli poległ, na szczęście gdzie Pauli nie może, tam Fermi potrafi!

Wyżej wspomniany włoski uczony o materii wiedział sporo – w końcu od jego nazwiska bierze się nazwa rodziny cząstek ją budujących, tj. “fermionów”. Enrico postanowił opisać rozpad beta za pomocą nowatorskich metod mechaniki kwantowej. To było to! Fermi zauważył, że przy pomocy równań uwzględniających kwantową naturę cząstek da się idealnie przewidzieć spektrum energii elektronów. Można z dużym prawdopodobieństwem przewidywać pojawiające się energie i zachowanie samego procesu. Nic tak nie cieszy naukowca jak teoria z w miarę sprawnie działającym aparatem matematycznym. Skąd ten entuzjazm u Fermiego i jakie ma to znaczenie dla prób upolowania neutrin? Tu trzeba sobie przypomnieć pewną piękną cechę naszego Wszechświata – symetrię! Nawet na poziomie obserwowanych przez nas zjawisk możemy odnaleźć ją na przykład w reakcjach chemicznych, które są odwracalne. Przykładem mogą być te zachodzące w akumulatorach, o czym więcej tutaj: Przynieś dwa wiadra prądu! Nie ma absolutnie żadnych przeciwwskazań, aby rozpad beta mógł również zachodzić na odwrót, tak długo jak szanujemy zasady zachowania.

Fermi zastanawiał się, czy neutrino emitowane w tym rozpadzie samo może również w jakiś sposób oddziaływać z materią, tak aby proton uległ przemianie w neutron z emisją wcześniej odkrytej cząstki – pozytonu, tj. odpowiednika elektronu w świecie antymaterii. Taki proces szanuje zasady zachowania, a więc jak najbardziej może zajść we Wszechświecie, w którym z definicji dzieją się wyłącznie rzeczy możliwe.

Jeśli udałoby się go zaobserwować, to mielibyśmy pośredni dowód na istnienie szukanej cząstki. Dalej mówimy o możliwościach naukowców w latach 30. XX wieku. Fermi z Paulim ostro żałowali, że zachciało im się takie teorie formułować, bo wnioski może i piękne, ale mało sprawdzalne. Na szczęście nauka nie kończy się na uznanych autorytetach i pierwszorzędnych naukowcach. Ci mniej znani też mają dobre pomysły – a dobre są te, które są proste i oparte na dobrze poznanych zjawiskach. No i tak się fajnie składa, że wiedziano dość dobrze o pewnym zjawisku, które daje zawsze ten sam charakterystyczny efekt. Mowa tu o anihilacji materii i antymaterii, które napotykając na siebie, znikają w oślepiającym błysku światła! Mówiąc mniej poetycko, światło oznacza zawsze jakiś rodzaj fotonów, a błysk – ich emisję. Spójrzcie raz jeszcze na ilustrację: pozyton jest cząstką antymaterii, która może anihilować, jeśli napotka swego kuzyna, tj. elektron. Anihilacji tej towarzyszy emisja dwóch kwantów promieniowania gamma, które emitowane są niemal w przeciwległych kierunkach, a to już daje pewne możliwości budowy detektora zdolnego do wykrycia takiego zjawiska. Wystarczy, że pozyton napotka na elektron materii go budującej i mamy to!

Całość sprowadza się do zaplanowania eksperymentu, który będzie zdolny wykryć taką emisję, a skoro mamy do dyspozycji równania zdolne powiedzieć nam, z jakim prawdopodobieństwem może to zajść w zadanych warunkach, to możemy zaplanować miejsce eksperymentu tak, aby warunki były jak najbardziej korzystne. No, przecież nikt rozsądny nie stanie z detektorem na środku ulicy, aby patrzeć, czy dane zjawisko ma miejsce, bo w tych warunkach ze 100% pewnością nie wykryjemy nic. Eksperymenty przeprowadza się w kontrolowanych warunkach i z odpowiednią czułością, która zależy od prawdopodobieństwa szukanego zjawiska. Obliczenia uwzględniające odkrycia Fermiego nie napawały optymizmem. Trzeba by bardzo długo patrzeć, aby dostrzec, tak znikome jest prawdopodobieństwo zajścia tego procesu samoistnie. Skoro tak, to może trzeba zjawisku pomóc zajść? Robimy to przecież w przypadku ciężkich jąder, np. uranu, którego rozpad wymuszamy poprzez interakcję z neutronem o odpowiedniej energii. Prosty wniosek mówi nam, że w tym wypadku potrzeba nam wydajnego źródła neutrin. Przypominam, że w tamtych czasach jedynym procesem, który był znanym źródłem tej cząstki, był rozpad beta. Czyli wydajnym źródeł neutrin byłoby coś, co powoduje dużo rozpadów beta w krótkim czasie, co gwarantuje obfitość szukanych cząstek. W tamtych czasach nie potrafiono nic z tym zrobić – ale wystarczyło, że minęło niecałe 20 lat, i problem się rozwiązał. No to zagadka: co powoduje dużo rozpadów beta w mgnieniu oka i równa miasta z powierzchnią ziemi? Podpowiedzią niech będzie ilustracja:

Bomba atomowa jest świetnym źródłem neutrin, jest to jednak źródło cokolwiek problematyczne z uwagi na szkody w infrastrukturze i ogólną niechęć społeczeństwa do eksperymentów tego rodzaju. Potrzeba nam czegoś innego – czegoś, co da się okiełznać bez ryzyka (lub z akceptowalnym ryzykiem). I znów świetnie się składa, bo mamy coś takiego:

Reaktor jądrowy jest również źródłem neutrin, bo zachodzą w nim te same procesy, co w bombie, aczkolwiek w kontrolowany sposób. Skoro mamy dużo neutrin, to pozostaje nam tylko dobrze zaplanować eksperyment. Podjęli się tego w 1955 roku Fred Reines i Clyde Cowan. Ich eksperyment odbył się w Savannah River. W odległości około 12 metrów od reaktora umieszczono trzy zbiorniki wody izolowane tak, aby żadna z cząstek innych niż neutrino nie przechodziła z reaktora przez barierę. W wodzie rozpuszczono chlorek kadmu, a same zbiorniki otoczono warstwą substancji o właściwościach scyntylacyjnych i fotopowielaczami.

Dlaczego w ten sposób i po co chlorek kadmu w wodzie? Spójrzmy na ilustrację:

Wyemitowany w odwrotnym rozpadzie beta pozyton szybko napotka na elektron – w końcu nie dzieje się to w próżni, ale jak mówią mądre podręczniki, w ośrodku materialnym. Wyemitowane fotony napotkają na okalającą zbiornik wody substancję, w której zachodzi zjawisko znane jako scyntylacja, polegające na powstawaniu błysku światła, gdy promieniowanie jonizujące przechodzi przez materiał o takich właściwościach. Promieniowanie elektromagnetyczne to strumień fotonów, część z nich jest absorbowana przez elektrony lub całe cząsteczki, co powoduje ich przejście do stanu wzbudzonego. Jak pamiętamy z poprzednich tekstów, najprostszym sposobem na powrót do stanu podstawowego jest pozbycie się nadmiaru energii poprzez emisję fotonu. Wyemitowany będzie już o wiele mniej energetyczny, a więc możliwy do zaobserwowania w formie “błysku” światła. Ponieważ rejestrowanie takich błysków gołym okiem wymagałoby skupienia tybetańskich mnichów, korzystamy z urządzeń znanych jako fotopowielacze. Dwa błyski zarejestrowane w tym samym czasie po obu strona zbiornika są dowodem na zajście takiej anihilacji. Czy to jednak wszystko? Nie, bo skąd wiadomo, że zarejestrowaliśmy anihilację pozytonu, który powstał w odwrotnym rozpadzie beta a nie jakiegoś innego? Po to właśnie jest kadm w tym równaniu! Powstały neutron będzie również oddziaływał z innymi cząstkami, wytracając energię i spowalniając. A są jądra takich pierwiastków, które taki spowolniony neutron chętnie pochłoną, np. ksenon, który tak namieszał w czarnobylskim reaktorze, czy dodany do zbiorników wody w Savannah River kadm. Jądro, które pochłonęło taki neutron, znajduje się w stanie wzbudzonym, a do podstawowego wraca, emitując najczęściej foton , który możemy również wyłapać na wspomnianych detektorach. Pozostało jedynie obliczyć, jak często powinniśmy obserwować błyski światła, jeśli taki proces faktycznie zachodzi. Wyniki były jednoznaczne: jeżeli neutrina faktycznie istnieją, to będziemy obserwować trzy błyski światła. Dwa jednocześnie po obu stronach detektora i jeden ułamek sekundy później.

To było to! Na własne oczy każdy mógł stwierdzić, że zachodzi proces, którego jedynym sensownym wyjaśnieniem są cząstki-duchy. O trudnej do ustalenia masie, bez ładunku koloru i elektrycznego, a biorące udział w tajemniczym oddziaływaniu. Tak właśnie odkryto neutrina – nie dlatego, że ktoś je sobie wymyślił, a następnie szukaliśmy ich wszędzie, gdzie się dało. Zauważyliśmy je, bo jak zwykle okazywało się, że jeśli jesteśmy zupełnie pewni naszych teorii, to chwilę później okazuje się, że to straszne głupoty. Zauważyliśmy je, stosując się do praw Wszechświata i uwzględniając zasady zachowania.

Czy to koniec opowieści? Nie, bo jak wspomniałem poprzednim razem, nauka nigdy się nie kończy; bo każde odkrycie pokazuje nam, że czegoś nie rozumiemy. Eksperymentalne odkrycie neutrin może i wyjaśniło rozpad beta i dało nam nowy klocek do teorii, ale okazało się że może i mamy neutrino, ale co dalej? Czy zaobserwowaliśmy neutrino, czy może antyneutrino? Czy istnieje tylko jeden rodzaj neutrina? Czy istnieją inne zjawiska, w których ta cząstka bierze udział? No i pojawił się pewien problem z zasadą zachowania. Na te pytania postaram się odpowiedzieć kolejnym razem, a pomoże nam coś, co zaobserwowano pierwotnie na Wieży Eiffla!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *