Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część trzecia

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część czwarta

Poprzednią część zakończyliśmy opisem eksperymentu, który pozwolił nam zdobyć dowód na poprawność rozumowania Pauliego i Fermiego: dość zaawansowana fotopułapka ustawiona w pobliżu reaktora atomowego pozwoliła nam zaobserwować reakcję, której należało się według tej teorii spodziewać. I właściwie na tym można bym poprzestać – mamy to, czego szukaliśmy. Do teorii rozpadu beta dodajemy neutrino i teraz wszystko się zgadza. I tak by było, gdyby omawiane zjawisko było jedynym tego rodzaju. Tymczasem wiemy, że w naszym Wszechświecie rozpady, w których cząstki zmieniają się w inne wraz z emisją innych, są rzeczą powszechną. Czy tam też powstają neutrina? Jeśli tak, to jakie i skąd to wiadomo? Jeśli spojrzeć na poniższą ilustrację, to mamy ich trzy rodzaje oraz odpowiadające im antyneutrina – tylko skąd to wiadomo? Z obserwacji!

O tym, że teoria związana z neutrinami jest niekompletna, wiedziano, zanim zarejestrowano pierwsze z nich. Przyczyną takiego stanu rzeczy były obserwacje poczynione w 1910 przez niemieckiego jezuitę Theodora Wulfa. Badał on naturalną promieniotwórczość naszej planety. Podczas jednego z eksperymentów udał się z detektorem na Wieżę Eiffla, aby obserwować, jak wartości te maleją wraz z oddalaniem się od powierzchni Ziemi. Tyle że wraz z każdym kolejnym stopniem w górę nasz jezuita zaczął wątpić w poprawność działania posiadanego miernika: wartość promieniowania rosła zamiast spadać.

fot. CC-BY 3.0

Niecały rok później austriacki uczony Victor Hess przeprowadził serię eksperymentów, w których detektory promieniowania umieścił na pokładzie różnych balonów. Wyniki nie pozostawiały żadnych wątpliwości: im wyżej, tym więcej promieniowania. Cóż, nasza planeta cały czas jest bombardowana strumieniem cząstek promieniowania kosmicznego. Wysokoenergetyczne cząstki zderzają się z cząstkami naszej atmosfery, powodując kaskadę cząstek wtórnych powstałych w wyniku takich zderzeń. Za to odkrycie V. Hess został uhonorowany Nagrodą Nobla. Jaki ma związek to odkrycie z neutrinami? Kolejni naukowcy, badając cząstki promieniowania kosmicznego, szybko zrozumieli, że nasze myślenie ograniczające się do protonów, neutronów, elektronu i neutrina nie odpowiada temu, co każdy może zobaczyć na własne oczy – sposób budowy prostego detektora takich cząstek opisałem tutaj: Pułapka na miony

Cosmic ray event. Photograph taken July 1, 1960. Bubble Chamber-924. fot. domena publiczna

Bardzo szybko zauważono, że w tej kaskadzie cząstek występują wspomniane miony (cząstki mające wszystkie cechy elektronu, ale około dwieście razy cięższe) i coś przypominającego protony czy neutrony, ale lżejsze – mezony, takie jak na przykład piony, o których więcej tutaj: Atomowa siatkówka ze średnią piłką. Szybko zauważono również, że wspomniane miony i piony nie są trwałe, tylko również ulegają rozpadowi! Jeśli ulegają rozpadowi, to czy pojawiają się tam neutrina? I tu nawet nie trzeba zgadywać. Można się po prostu przyjrzeć, jak wspomniane cząstki się rozpadają i porównać to ze znanym nam wcześniej rozpadem beta, który pozwolił nam pierwotnie wpaść na ślad neutrin.

W poprzednim przypadku wartość energii kinetycznej elektronu emitowanego w trakcie przemiany neutronu w proton różniła się z rozpadu na rozpad, co wskazało nam, że musi być tam ten trzeci obiekt, który unosi resztę energii tego rozpadu. Dzięki niemu zachowywany był również ładunek oraz moment pędu. Uzbrojeni w taką wiedzę naukowcy rozpoczęli przyglądanie się rozpadom tych cząstek. Obserwacje rozpadu mionu pozwoliły ustalić, że rozpada się on na elektron i dwa neutrina, podczas gdy pion rozpada się na mion i powstaje przy tym jedno neutrino. Tu warto zaznaczyć, że nie jest to jedyny dozwolony rozpad pionu; pozostałe chwilowo nie mają znaczenia, jeśli szukamy neutrin. Skąd wiemy, że w jednym przypadku powstają dwa, a w drugim jedno? Z zasad zachowania! Energia kinetyczna elektronu powstałego w rozpadzie mionu ma szerokie spektrum wartości, co analogicznie jak w przypadku rozpadu beta świadczy o tym że proces ten powoduje rozpad na trzy obiekty; energia mionu powstałego w rozpadzie pionu jest w wąskim spektrum, co oznacza rozpad na dwa obiekty.

I tu trzeba sobie odpowiedzieć na wcześniejsze pytanie – czy wszystkie neutrina które powstają w tych procesach są takie same? Czy neutrina emitowane w rozpadzie beta i te powstałe w rozpadach mionów to jeden rodzaj neutrin? Jeśli nie to skąd to wiadomo?

Chciałoby się znów odrzec: “z obserwacji”, ale tym razem właściwą odpowiedzią jest: “z braku obserwacji”. Konkretnie to z braku obserwacji pewnych typów rozpadów, które choć zdają się spełniać zasady zachowania, to nie zachodzą. No, same problemy w tej fizyce: tamten rozpad nie spełniał zasad zachowania, a zachodził, a tu mowa o takich, które mają je spełniać, a nie zachodzą. Takie zmartwienie miał jeden ze współpracowników E. Fermiego, który usilnie starał się zaobserwować rozpad mionu na elektron i foton.

Na pierwszy rzut oka nie ma żadnych przeciwwskazań, aby taki rozpad mógł zachodzić. I z uwagi na pewne prawa mechaniki kwantowej powinien zachodzić znacznie częściej niż rozpad mionów na elektrony i neutrina. Tymczasem obserwacje były jednoznaczne: jeśli taki proces zachodzi, to tak rzadko, że można z dużą dozą pewności powiedzieć, że nie zachodzi on wcale. Pomyślmy: nie zachodzą te procesy, które są zabronione z uwagi na to, że nie zostaje zachowany np. jeden z ładunków. Tylko który? Czasem najprostsze odpowiedzi są najlepsze – no, przecież mion i elektron to nie jest to samo. Jednak jeśli “to nie to samo”, to czym się różnią? Z góry mówię, że odpowiedź: “masą” nie wyczerpuje problemu. Tak jak antymateria pomogła nam wykryć neutrina, tak pomoże nam po raz kolejny w udzieleniu odpowiedzi na pytanie o różnicę. Bo czym różni się elektron od pozytonu?

Nie tylko ładunkiem elektrycznym – pozyton ma wszystkie cechy elektronu “na odwrót”. Na szczęście cząstki elementarne nie mają włosów, więc ich cechy opisują liczby. I na szczęście nie dowolne, ale takie w stylu “+1” czy “-1”. I tak ładunek elektronu opisuje liczba -1 a pozytonu +1. Czy to, że elektron jest elektronem, a nie innym leptonem lub kwarkiem, również opisuje jakaś liczba? Tak, jest to szczególny przypadek liczby leptonowej tj. liczba elektronowa, która dla każdego elektronu wynosi +1 i analogicznie -1 dla pozytonów. Stąd elektron jest elektronem, a nie mionem, bo jego liczba elektronowa wynosi +1. Gdyby jego liczba mionowa wynosiła +1, a nie 0 to byłby mionem. Banalne, to spójrzmy jeszcze raz na ilustrację aby zrozumieć, dlaczego taki rozpad nie zachodzi:

Nie zachodzi, bo nie zachowuje jednej z liczb: przed rozpadem mamy +1, a po nim dwa 0. Takich rzeczy we Wszechświecie robić nie wolno. Gdyby po jednej stronie było 0 a po drugiej -1 i +1, to inna sprawa. Takie procesy zachodzą – np. polaryzacja próżni, gdy foton (l. elektronowa 0) przemienia się w elektron (l. elektronowa +1) i pozyton (l. elektronowa -1). A jakie mają znaczenie te liczby dla neutrin? Jeśli wiemy, że muszą być zachowane w rozpadach, to możemy przewidzieć, jakie powinniśmy napotkać, aby wszystko się zgadzało. To spójrzmy jeszcze raz na rozpad beta pionu i mionu, tym razem opisując wszystkie cząstki zgodnie z naszą wiedzą.

Proton i neutron raczej elektronami nie są, a więc w ich przypadku liczba elektronowa będzie wynosić zero, dla elektronu wynosi ona +1, stąd powstałe neutrino musi mieć -1. Ujemna wartość tej liczby, tak jak w przypadku pozytonu, mówi nam że jest to cząstka antymaterii; stąd wiemy, że w rozpadzie beta powstaje antyneutrino.

Mion rozpada się na elektron i dwa neutrina – skoro wśród produktów mamy elektron, to zapewne towarzyszy mu antyneutrino elektronowe. Trzeci element tego rozpadu musi mieć liczbę mionową +1 i nie przenosić ładunku, a więc cząstkę tę można nazwać neutrinem mionowym.

Pion rozpada się na mion i jedno neutrino. Aby wszystko zostało zachowane, jego liczba mionowa musi wynosić -1, a więc jest to antyneutrino.

Jak sami widzicie, tylko posługując się zasadami zachowania, przewidzieliśmy istnienie odpowiednich rodzajów neutrin. Tylko że jak poprzednio – każda teoria warta jest tyle, na ile jej przewidywania da się sprawdzić, a postulowane cząstki zaobserwować w ten czy inny sposób. Czy więc zaobserwowano neutrina mionowe i te taonowe? No i skąd właściwie wiemy, że są tylko trzy rodzaje, a nie więcej? Jak pewnie już się domyślacie, odpowiedź znaleziono, choć spowodowała ona, że znów trzeba było wyjaśnić kolejną kwestię – palącą jak Słońce!

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