Wierzycie w duchy? Ja nie, ale wiem, że są cząstki, których cechy ewidentnie odpowiadają temu, jak przedstawiane są duchy w różnych książkach i filmach. Byty ulotne, zdolne do przenikania różnych barier, słabo oddziałujące z materią, ale potrafiące narobić niezłego zamieszania.

Zapewne słyszeliście o neutrinach w różnych kontekstach, np. o tym, że rzekomo poruszają się szybciej od światła, że penetrują materię strumieniem miliardów cząstek, że same dla siebie są antycząstką, że mają bardzo małe masy itp. Postaram się dla was jakoś to usystematyzować – najlepiej więc zacząć od początku!

Jak wszystko inne w fizyce, cząstki te najpierw zostały wprowadzone do modelu, a dopiero później faktycznie zaobserwowane. Jaka była przyczyna, dla której potrzebowano cząstki o połówkowym spinie, pozbawionej ładunku elektrycznego i o zaniedbywalnie małej masie? Obserwowane zjawisko nie zgadzało się ze znanymi nam prawami fizyki. W takich przypadkach albo my się mylimy (najczęściej), albo czegoś nie rozumiemy (zazwyczaj), albo popsuły się prawa fizyki (bardzo rzadko). Zjawiskiem, które burzyło piękne modele, a tym samym poczucie zadowolenia fizyków, był rozpad beta.

Na początku XX wieku fizycy nie mieli takiego pięknego diagramu, z którego wszystko wynika. Prawdę mówiąc, to nie mieli również wiedzy o tym, że proton i neutron są zbudowane z kwarków, a emisja elektronu następuje za pośrednictwem wuonu. Skoro nie wiedzieli właściwie nic, to co ich zastanawiało i niepokoiło? Niewiele wcześniej odkryto zjawisko promieniowania pochodzącego z rozpadów radioaktywnych i ustalono, że występuje w trzech postaciach: alfa, beta i gamma. Jeśli chcecie wiedzieć więcej o samym zjawisku promieniowania, odsyłam do niedawno opublikowanego Promieniowanie. Część 1: Wstęp i kolejnych. Skupmy się na promieniowaniu beta, będącym strumieniem elektronów emitowanych podczas rozpadu jądra, w którym liczba protonów zwiększa się o jeden.

Pierwszym celem takich badań było wyznaczenie energii kinetycznej tak emitowanych cząstek. I jak to w życiu bywa, pojawiły się dwie teorie: pierwsza, która zakładała, iż wszystkie posiadają taką samą energię, i druga, która zakładała, iż te energie będą się od siebie różnić. Pierwsza z nich wydaje się prostsza – bo z jakiego powodu energie elektronów miałyby się różnić z rozpadu na rozpad? W końcu mówimy o cząstkach, które absolutnie niczym się od siebie nie różnią; każdy neutron i każdy proton oraz każdy elektron jest dokładnie taką samą cząstką: dwa protony, dwa neutrony i dwa elektrony to za każdym razem para dokładnie tych samych, w żaden sposób nieodróżnialnych cząstek. Stąd większość ówczesnych naukowców skłaniała się ku pierwszemu z założeń. Fizyka jednak ma to do siebie, że nie liczy się to, do czego kto się bardziej skłania i pod jakim kątem, a to, co wynika z obserwacji i eksperymentów.

Tylko jak zmierzyć energię kinetyczną czegoś takiego jak elektron, gdy jest się fizykiem na początku XX wieku? Skomplikowanych przyrządów pomiarowych brak, komputerów jeszcze nie wynaleziono, a co dopiero mówić o detektorach takich jak wielotonowe aparaty w CERN? O ścisłych pomiarach możemy zapomnieć, zwłaszcza że ogólny wzór wymaga znajomości masy i prędkości obiektu. Nawet gdybyśmy znali masę elektronu, to szybko zauważymy, że pomiary coś się rozjeżdżają z samą rzeczywistością, bo nie znamy mechaniki relatywistycznej zdolnej opisać zachowanie obiektów poruszających się z takimi prędkościami – Einstein jeszcze jej nie sformułował. Pozostaje więc albo załamać ręce, albo poprawnie postawić pytanie, na które chcemy udzielić odpowiedzi: nie ma dla nas znaczenia, ile te energie wynoszą dokładnie ale, czy ich spektrum przypomina wyraźną linię, czy jest rozrzucone po wszystkich wartościach. To da się zrobić, jeśli tylko odpowiemy sobie na pytanie, którą cechę elektronu znamy na pewno i co z tego wynika.

Ładunek elektryczny! Jeśli elektron posiada ładunek, to na pewno będzie oddziaływał z polem magnetycznym, a wytwarzanie takiego pola nie przekraczało ówczesnych możliwości. Jak więc zachowa się strumień takich elektronów przepuszczony przez pole magnetyczne? Tor lotu takiej cząstki zostanie zakrzywiony w zależności od jej energii kinetycznej: cząstka o mniejszej energii porusza się wolniej, a więc tor jej lotu zostanie zakrzywiony bardziej. Można to zmierzyć choćby za pomocą kliszy fotograficznej, która ulegnie zaczernieniu w miejscu uderzeń cząstek czy innego detektora.

Liczne pomiary prowadzone tą metodą nie dały jednoznacznych odpowiedzi. Jeśli tak emitowane elektrony miałyby zawsze jednakową energię to powinniśmy uzyskać wyraźną wartość, jeśli miałyby się różnić to uzyskamy szerokie spektrum wartości. Wyniki były niejednoznaczne gdyż słusznie zauważono, że tak zaobserwowane rozkłady energii mogą być zafałszowane przez wtórne oddziaływanie elektronów z materiałem promieniotwórczym, z którego pochodzą. Takie oddziaływanie oznacza straty energii i różny jej rozkład. Nawet gdyby elektrony miały tę samą energię w chwili powstania, to w wyniku tych oddziaływań część z nich mogła jej stracić więcej, co obserwujemy jako elektron “wolniejszy”, a część – mniej, w zależności od ich oddziaływań z resztą materii przed emisją “na zewnątrz”. Taki eksperyment nie daje jednoznacznej odpowiedzi. Potrzeba bardziej precyzyjnego pomiaru.

To zagadnienie postanowiło ugryźć w 1925 roku dwóch fizyków – Charles Ellis i William Wooster. Doświadczenie było genialne w swojej prostocie: umieścili wewnątrz ołowianego bloku próbkę radioaktywnego bizmutu i mierzyli jego temperaturę. Radioaktywny pierwiastek emitował elektrony, które były absorbowane w bloku ołowiu, co powodowało wzrost jego temperatury. Ponieważ znaliśmy wcześniej masę ołowiu i aktywność próbki bizmutu, to na podstawie wzrostu temperatury bloku da się wyznaczyć energię przypadającą na jeden rozpad! Jeśli jest ona zawsze taka sama, a obserwowane w poprzednim doświadczeniu z kliszą spektrum jest wynikiem wspomnianych wtórnych oddziaływań, to powinniśmy zaobserwować maksymalną wartość energii ze spektrum. Jeżeli energia elektronów zmienia się z rozpadu na rozpad, to zaobserwujemy średnią wartość ze spektrum.

Eksperyment pokazał, że z jakiegoś powodu energie elektronów różnią się od siebie i nie bardzo wiadomo, jaki czynnik za tym stoi. Na odpowiedź ówcześni fizycy musieli poczekać kilka dziesięcioleci, a my trochę mniej, bo już następnym razem postaramy się rozgryźć pytanie, dlaczego bez istnienia neutrina rozpad beta łamałby trzy zasady zachowania.

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