Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – straszny artykuł w prasie…

Dlaczego nie “część szósta”? Zawinił tekst, który przeczytałem pod tym linkiem https://next.gazeta.pl/next/7,172392,30816448,niezwykle-odkrycie-na-antak.html

Zastanawiam się, jakim cudem tekst na tym poziomie przeszedł przez redakcję i korektę, a następnie został opublikowany na tzw. “dużym portalu”. Z czasów mojej kariery pedagogicznej znam ten styl: lanie wody, aby zapełnić miejsce na kartce lub na ekranie pomiędzy reklamami. Uczniowi bym jakoś wybaczył − w końcu kto z nas lubił odrabiać zadania domowe? Tu jednak rozmawiamy o osobie, która zawodowo zajmuje się pisaniem tekstów mających popularyzować naukę. Nie jest to pierwszy raz, gdy na tym czy innym portalu natrafiam na tekst podobnych lotów − zawierający błędy, niejasne skróty myślowe, oczywiste przeinaczenia; tekst, który pozostawi wrażenie typu “znów coś ci naukowcy robią − i tak nie zrozumiem”. Znalezienie informacji i napisanie porządnego artykułu to coś, co wielu z nas robi za darmo, po prostu to, jak działa Wszechświat, jest fascynujące. Nasz blog właśnie popularyzacją nauki się zajmuje, toteż myślę, że podobnie, jak nie jest to pierwszy tekst tego rodzaju, który tu publikuję, nie będzie on również ostatnim. Zacznijmy więc od nagłówka, z którego ma wynikać, iż naukowcy dokonali ciekawego odkrycia na Antarktydzie:

Neutrina przenikają niepostrzeżenie, ale mają ogromne znaczenie w badaniach. Mogą one bowiem pomóc w pozyskaniu nowych informacji o Wszechświecie. Naukowcy najprawdopodobniej wykryli ostatnimi czasy siedem “cząsteczek-duchów” na Antarktydzie.

Początkowo myślałem, iż określenie “cząsteczki-duchy” to po prostu przenośnia, i tak bym myślał, gdybym nie przeczytał kolejnego akapitu, w którym autorka opisuje, co wspomniani naukowcy na Antarktydzie robią:

Naukowcy IceCube Neutrino Observatory przez niemal 10 lat badali cząsteczki elementarne, a niedawno najprawdopodobniej udało im się wykryć siedem potencjalnych neutrin. Potocznie bywają nazywane “cząsteczkami duchami”, ze względu na swoje rozmiary. Są one bowiem najmniejszymi cząsteczkami znanymi ludzkości i skrywającymi tajemnice kosmosu.

Zanim opowiemy sobie, co kryje się pod nazwą “IceCube”, przeczytajmy akapit do końca. Tak się zastanawiam, ile razy trzeba będzie jeszcze przypomnieć proste zasady terminologii: jeśli “elementarne” to tylko i wyłącznie CZĄSTKI. Jeśli mówimy o elektronie, mionie, kwarku, bozonie − to jest to zawsze CZĄSTKA ELEMENTARNA. Ze względów historycznych cząstkami elementarnymi nazywa się również bariony i mezony, będące układami trzech kwarków lub parą kwark – antykwark. Dlatego neutrino można nazwać “cząstką duchem” ale nie “cząsteczką”. Pojęcie “cząsteczki” jest związane z molekułami i chemią, a więc można bezpiecznie mówić o cząsteczkach wody, tlenu, kwasu solnego, chlorku sodu etc. Dlaczego korekta przepuściła tak oczywisty błąd? Dalej jest tylko ciekawiej: rozmiary cząstek elementarnych. Nie, nie wierzę, że tego rodzaju sformułowanie padło w tekście, który ma naukę popularyzować.

Obiekty tego rodzaju nie mają konkretnych rozmiarów, to nie ma sensu w ich przypadku. Cząstek elementarnych nie można traktować jak kulek mających dokładne średnice. Te obiekty przypominają coś bardziej ulotnego. Nasze teorie opisują kwarki, elektrony i neutrina jako bezwymiarowe punkty. Neutrina nie są “najmniejsze”, bo nie znamy dokładnych rozmiarów cząstek, ale jak wskazują dotychczasowe eksperymenty, z pewnością mają najmniejszą masę z cząstek budujących materię. Samej masie neutrin i problemach z nią związanych poświęcę osobny odcinek cyklu, to naprawdę złożone zagadnienie.

Czym jest wspomniane IceCube Neutrino Observatory? To jest superzabawka dla fizyków! Prawie tak super jak LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów.

fot. CC BY-3.0

Otóż naukowcy wpadli na genialny pomysł, aby w lodzie Antarktydy wywiercić ponad 80 otworów o głębokości ponad dwóch kilometrów, a następnie spuścili tam liny, na których zawieszono odpowiednie fotodetektory. Jest ich tam ponad 5 tysięcy, gotowych zarejestrować każdy ślad ducha ku uciesze naukowców. Dlaczego na Antarktydzie i po co aż tyle? W poprzednich częściach cyklu opowiedzieliśmy sobie o naturze neutrin: mają niezwykle małą masę, nie przenoszą ładunku elektrycznego i bardzo słabo oddziałują z materią. Na ich ślad natrafiliśmy przez przypadek: zdawało się, że obserwowane zjawisko łamie znane nam zasady zachowania. Bezpośrednie obserwacje takich cząstek są niemożliwe, możemy za to obserwować efekty ich działania. Skoro oddziałują słabo, to szanse na obserwacje tych efektów są minimalne. Możemy je jednak zwiększyć poprzez budowę większego detektora lub użycie wydajnego źródła neutrin.

Jeśli chcemy polować na neutrina powstające przy okazji rozpadu beta, użycie wydajnego źródła, jakim jest np. reaktor jądrowy, wydaje się sensowne. Jednak przy polowaniu na neutrina mionowe czy taonowe traci sens. W rozpadzie beta nie mogą powstać inne neutrina niż elektronowe. Wszechświatem rządzą zasady zachowania. Dobrym źródłem innych neutrin jest tzw. “wtórne promieniowanie kosmiczne” powstające, gdy w cząstki budujące ziemską atmosferę uderzają cząstki pochodzące z innych części kosmosu, którym ogromny pęd nadały np. wybuchy supernowych. Ponieważ nie mamy wpływu na intensywność tego opadu, to wniosek jest prosty: do obserwacji neutrin tych rodzajów potrzeba odpowiednio dużego detektora.

Do wykrycia neutrin elektronowych wystarczyły baseny zawierające chlorek kadmu. Znajdowały się blisko reaktora, a więc neutrin było dużo, stąd nie musiały mieć dużych rozmiarów. No to teraz zastanówmy się, gdzie na naszej planecie jest dużo wody i czy musi być koniecznie cieczą? Antarktyda jest przecież pokryta ogromną ilością lodu! Prawda, że to duży detektor? Ma też dodatkową zaletę: detektor neutrin musi być maksymalnie wolny od zanieczyszczeń i ekranowany przede wszystkimi przed innymi cząstkami, które przecież też oddziałują z materią. IceCube jako bariery używa… całej planety. Przedmiotem zainteresowania naukowców są tylko te ślady, które pojawiają się “od dołu” detektora. Pomyślcie: cząstka, która wzbudziła zainteresowanie detektora, musiała przejść od bieguna północnego przez całą planetę. Poza neutrinami żadne tak nie potrafią! Dokładnie o samym detektorze IceCube, jego poprzedniczce o imieniu AMANDA oraz pozostałych i sposobach ich działania opowiem w osobnej części cyklu. Tymczasem wróćmy do omawianego tekstu:

Specjaliści obserwują cząsteczki na Antarktydzie i wykorzystują do tego tysiące detektorów. Istnieją trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Naukowcy stwierdzili, że te, które wykryli na Antarktydzie, są najprawdopodobniej neutrinami taonowymi, które uchodzą za najtrudniejsze do zaobserwowania.

Zgadzam się: istnieją trzy rodzaje neutrin i odpowiadające im antyneutrina. Skąd to właściwie wiadomo? Z masy zetonu. Aby nie było żadnych wątpliwości − “zetonu”, nie “żetonu”. Bozon Z jest trzecią z cząstek przenoszących oddziaływanie słabe, które odpowiada między innymi za rozpady, w których neutrina powstają. Proces ten zawsze przebiega w dwóch etapach: cząstka elementarna emituje odpowiedni bozon, który następnie rozpada się na odpowiednie kombinacje cząstek elementarnych zgodnie z zasadami zachowania. Co masa tej cząstki może nam powiedzieć o tym, ile istnieje rodzajów innych cząstek? Zeton jest masywny, bardzo masywny jak na cząstkę − jego masa to mniej więcej 90 razy masa jądra wodoru lub w przybliżeniu tyle, ile wynosi masa jądra uranu. Emisja takiej cząstki wymaga energii. Jak pamiętamy, w naszym Wszechświecie można “pożyczyć” sobie energię potrzebną do takiej emisji wprost z próżni. Problem tylko tkwi w tym, że im więcej się bierze, tym szybciej trzeba oddać − zgodnie z zasadą nieoznaczoności. Oznacza to, że czas życia zetonu jest bardzo krótki, ale niezerowy. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, im krótszy jest czas życia rozpadającej się cząstki, tym więcej istnieje kombinacji cząstek, na które może się ona rozpaść. Mierząc czas życia zetonu, jesteśmy w stanie określić, ile istnieje rodzajów neutrin. Wyniki wielokrotnie powtórzonych doświadczeń wskazują, że istnienie innych rodzajów neutrin niż znane trzy, jest raczej niemożliwe, gdyż musiałby one mieć masę większą od samego zetonu, co oznacza, że sam bozon powstały z “pożyczonej z próżni energii” musiałby jej pożyczyć jeszcze więcej.

Dlaczego neutrina taonowe uchodzą za najtrudniejsze do zaobserwowania? Odpowiedź znów opiera się o masę, tym razem taonu. Lepton ten ma masę ok. 1777 MeV (elektron, dla porównania, to ok. 0,511 MeV). Powstanie tak ciężkiej cząstki wymaga naprawdę energetycznych zderzeń, a te są rzadkie. Stąd taonów powstaje niewiele, a jeszcze mniej dociera ich do nas z uwagi na ich masę. Rozpadają się dość szybko, a nasze detektory nie mogą być wszędzie. Dlatego jesteśmy zmuszeni cierpliwie czekać i liczyć na łut szczęścia, któremu pomagamy rozmiarami detektora na Antarktydzie. W kolejnym tekście postaram się przybliżyć, co dokładnie zrobiono na Antarktydzie i skąd tych “siedmiu krasnoludków” mających być neutrinami taonowymi.

Jeśli po przeczytaniu tego tekstu nadal macie pytania, to możecie je śmiało zadawać w komentarzach. Zapraszam również do przeczytania poprzednich części cyklu i oczekiwania na następne.

Poprzednie części cyklu:

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

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część piąta

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

2 thoughts on “Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – straszny artykuł w prasie…

  1. “Do wykrycia neutrin elektronowych wystarczyły baseny zawierające chlorek kadmu.”
    Domyślam się, że chodzi chyba o roztwór chlorku kadmu, a nie sam ten związek, bo skoro detektory mają wykrywać (jak się również domyślam) błyski światła, to medium musi być przezroczyste.I tu nasuwa mi się pytanie – dlaczego akurat chlorek kadmu, a nie jakiś inny związek chemiczny. Czym szczególnym wyróżniają się jądra kadmu (bo chyba z nimi mają oddziaływać neutrina)?

    • To trochę bardziej skomplikowane. Neutrina elektronowe oddziałują (od czasu do czasu) z protonami. Powstaje wtedy neutron i pozyton. Pozyton szybko anihiluje z jakimś elektronem, przy czym powstaje para fotonów gamma, wykrywana przez detektory. Ale żeby mieć pewność, że pozyton został wyprodukowany przez neutrino w reakcji z protonem, używa się właśnie kadmu, który bardzo chętnie pochłania neutrony (dlatego jest wykorzystywany w prętach kontrolnych reaktorów). Uwalniany jest przy tym dodatkowy foton gamma. W eksperymencie Cowana i Reynesa (1956) wyliczono, że błysk gamma z kadmu powinien być wykryty ok. 5 μs po błysku anihilacji. Taka synchronizacja świadczy z dostatecznym prawdopodobieństwem o udziale neutrina elektronowego.

Dodaj komentarz

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