Inne odcinki serii:
Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)
Cztery zaskoczenia (2): Astronomia
Cztery zaskoczenia (3): Chemia
Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka
Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka
3. Dudniący zapach neutrin
O ile pamiętam, w latach szkolnych zwróciłem uwagę na neutrina główne dlatego, że były to tajemnicze, słabo poznane cząstki odgrywające istotną rolę w fabule powieści Stanisława Lema – Solaris i Głos Pana. Neutrino wymyślono w latach trzydziestych (pierwotna inspiracja pochodziła od Wolfganga Pauliego) jako sposób na zbilansowanie masy/energii, pędu i spinu w rozpadzie beta. Teorię neutrina dopracował Enrico Fermi, ale postulowanie cząstki pozbawionej ładunku i (jak się zdawało) zasadniczo niewykrywalnej tylko po to, żeby rachunki się zgadzały, wydawało się tak podejrzane, że czasopismo Nature odrzuciło publikację Fermiego na ten temat. Jednak po ponad dwudziestu latach, w roku 1956, udało się zaobserwować neutrino (dokładniej: antyneutrino elektronowe). Zanim poszedłem do przedszkola, w 1962 r. odkryto kolejną cząsteczkę z tej rodziny, neutrino mionowe. Na trzecie, taonowe, trzeba było poczekać aż do 2000 r.
Każde neutrino odpowiada innej „generacji” leptonów (cząstek o spinie połówkowym niepodlegających oddziaływaniom silnym) obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Znamy trzy takie cząstki (plus odpowiadające im antycząstki): elektron, mion i taon. Neutrina powstają w procesach, którymi rządzą oddziaływania słabe. W procesach tych pośredniczą tzw. bozony W, cząstki bardzo ciężkie i nietrwałe. Na przykład podczas rozpadu neutronu powstają proton i bozon W⁻. Ten drugi niemal natychmiast rozpada się na cząstki trwałe: elektron e⁻ i wspomniane wyżej antyneutrino elektronowe ν̄e. Analogicznie wygenerowaniu mionu lub taonu w rozpadzie bozonu pośredniczącego towarzyszy emisja (anty)neutrina mionowego lub taonowego. W modelu standardowym fizyki cząstek elementarnych, który ukształtował się w latach siedemdziesiątych, istniały właśnie różne „zapachy leptonowe”, kojarzące z sobą leptony posiadające ładunek elektryczny i odpowiadające im neutrina, obojętne elektrycznie.
W modelu standardowym przyjmowano, że neutrina są cząstkami pozbawionymi masy, czyli zmuszonymi do poruszania się z prędkością światła. To, że w ogóle potrafimy je wykryć (za pomocą bardzo pomysłowych detektorów), graniczy z cudem, bo neutrina odczuwają tylko oddziaływania słabe i grawitacyjne, więc raz uwolnione śmigają sobie swobodnie po Wszechświecie, bardzo rzadko oddziałując z czymkolwiek. Wyciągnijmy przed siebie dłoń: w ciągu sekundy przenika przez nią kilka bilionów neutrin, nie robiąc nam żadnej krzywdy. W ciągu naszego życia w najlepszym razie może jedno lub dwa zaangażują się w jakieś oddziaływanie z atomami tworzącymi nasze ciało. Większość tych neutrin pochodzi z jądra Słońca, albowiem ubocznym produktem cyklu protonowego, który jest głównym źródłem energii słonecznej, są neutrina elektronowe. Przenikają one bez oporu przez zewnętrzne warstwy Słońca oraz mkną sobie na wylot przez Ziemię, po czym znikają w głębi kosmosu. I początkowo zdawało się, że na tym koniec.
Okazuje się jednak, że życie neutrin jest bardziej skomplikowane, niż sobie wyobrażano. Już w latach sześćdziesiątych zdano sobie sprawę, że liczba słonecznych neutrin elektronowych rejestrowanych przez detektory jest znacząco mniejsza od oczekiwań teoretycznych. Znaczna część – co najmniej połowa, a nawet dwie trzecie spodziewanej liczby – jak gdyby ginęła gdzieś po drodze. A przecież nawet gdyby przestrzeń między Słońcem a Ziemią wypełniona była nie skrajnie rozrzedzonym gazem międzyplanetarnym, ale litym ołowiem, nadal niemal wszystkie neutrina słoneczne powinny docierać do detektorów. Z początku sądzono, że coś jest nie w porządku z modelem syntezy termojądrowej w Słońcu; że np. błędnie szacujemy temperaturę i ciśnienie w jądrze naszej gwiazdy. Rozwiązanie okazało się całkiem inne i bardziej zaskakujące: większość neutrin wyemitowanych w jądrze Słońca jako elektronowe, dociera do nas, niosąc zapach mionowy lub taonowy i wymyka się detektorom zaprojektowanym tak, aby rejestrowały neutrina elektronowe. Wygląda to tak, jakby pędzące przez kosmos neutrina oscylowały między różnymi zapachami.
Skąda ta oscylacja? Żeby to zrozumieć, trzeba zacząć od tego, że neutrina jednak nie są bezmasowe. Prawda, są niezmiernie lekkie. Dotąd nie znamy dokładnie ich masy, ale wiadomo, że nie przekracza ona stutysięcznej części masy elektronu. Nie jest jednak zerowa i nie jest też jednakowa: istnieją neutrina lżejsze, neutrina o masie pośredniej i cięższe. Wydawałoby się oczywiste, że trzy różne masy odpowiadają trzem różnym zapachom, ale tak nie jest. Masa i zapach neutrin związane są w sposób będący jednym z wariantów zasady nieoznaczoności. Im bardziej jednoznacznie próbujemy scharakteryzować jeden z tych parametrów, tym mniej jednoznaczny staje się drugi. Neutrino o konkretnej masie (gdyby dało się ją precyzyjnie określić) byłoby superpozycją (kwantowym złożeniem) trzech różnych stanów zapachu leptonowego. I odwrotnie: neutrino o konkretnym zapachu jest superpozycją trzech różnych stanów masy. Neutrina klasyfikowane wg masy, oznaczane ν₁, ν₂, ν₃ nie są wcale mniej prawdziwe niż neutrina klasyfikowane według zapachu, oznaczane νe, νμ, ντ. Co więcej, to właśnie te pierwsze są brane pod uwagę w równaniu Diraca opisującym właściwości kwantowe cząstek relatywistycznych. Pamiętajmy zatem, że zwyczajowe mówienie np. o „masie neutrina elektronowego” jest, ściśle rzecz biorąc, błędem rzeczowym. Przyznam, że ta podwójna natura neutrin (związana z faktem, że ich masy są tak małe, a zarazem niezerowe) była dla mnie osobiście szczególnym zaskoczeniem.
W jądrze Słońca, podczas łączenia się dwóch protonów w jądro deuteru, jeden z nich przekształca się w neutron, czemu towarzyszy emisja pozytonu e⁺ i neutrina elektronowego νe. Takie neutrino w chwili emisji ma dokładnie określony zapach, a zatem stanowi maksymalnie różnorodną superpozycję trzech mas. Ma także określoną energię – i tu zaczynają się dziać rzeczy dziwne. Neutrino pędzi prawie z prędkością światła, ale prędkość każdego z trzech stanów masy tworzących superpozycję jest minimalnie inna, ponieważ ich relatywistyczna energia kinetyczna musi pozostawać taka sama. Różnica jest tak mała, że nie da się jej zmierzyć wprost, ale powoduje „rozjeżdżanie się w fazie” funkcji falowych odpowiadających trzem stanom masy. W rezultacie po przebyciu pewnej odległości neutrino jest superpozycją mas o składzie innym niż początkowy. W związku z tym nie jest już „czystym” neutrinem elektronowym, ale superpozycją trzech zapachów i z dużym prawdopodobieństwem może zostać zaobserwowane jako neutrino mionowe lub (najrzadsze z trzech) taonowe. A ponieważ te „dudnienia zapachu” są okresowe, neutrino ponownie staje się elektronowe, a potem znów rozszczepia się w kwantową superpozycję trzech zapachów leptonowych.
Efekt oscylacji (a właściwie kwantowej interferencji różnych stanów masy) przewidział teoretycznie Bruno Pontecorvo już w 1968 r., a potwierdziły jego realność eksperymenty przeprowadzone w latach dziewięćdziesiątych, badające neutrina pochodzące z różnych źródeł: słoneczne, atmosferyczne (generowane w rozpadach cząstek powstających w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania kosmicznego) i pochodzące z reaktorów jądrowych (ostatnio także z akceleratorów cząstek). Szczególnie dobitnym potwierdzeniem teorii Pontecorva były wyniki obserwacji dokonanych za pomocą kanadyjskiego detektora SNO (Sudbury Neutrino Observatory), które umożliwiały oszacowanie strumienia zarówno neutrin elektronowych, jak i sumy wszelkich neutrin docierających ze Słońca. Okazało się, że wszystkich neutrin jest dokładnie tyle, ile przewiduje teoria, przy czym tylko 34% ujawniało się w detektorze pod postacią neutrin elektronowych – znów zgodnie z modelem teoretycznym oscylacji. Takaaki Kajita (kierujący zespołem japońskiego detektora neutrin Super-Kamiokande) i Arthur B. McDonald (SNO) dostali za te badania Nobla w 2015 r.
Oscylacje dowodzą, że masa neutrin z całą pewnością nie jest zerowa, a zatem ich prędkość nie jest dokładnie równa c. Zagadką pozostaje natomiast mechanizm, który nadaje im masę. Wiąże się z tym nadzieja, że właściwości neutrin są kluczem do jakiejś teorii wykraczającej poza model standardowy, skoro ten ostatni nie przewiduje neutrin obdarzonych masą. Czy rzeczywiście tak jest, dowiemy się zapewne w przyszłości.
Na koniec ciekawostka: astronomia neutrinowa polega głównie na rejestrowaniu i analizowaniu neutrin słonecznych. Czasem jednak trafia się wyjątkowa frajda, jak wówczas, gdy blisko naszej Galaktyki (w Wielkim Obłoku Magellana) wybuchła supernowa 1987A. Na ok. 3 godziny przed jej rozbłyskiem trzy obserwatoria wykryły w sumie 25 antyneutrin pochodzących z tego źródła. Szacuje się, że ok. 99% energii uwalnianej podczas zapadania się jądra supernowej jest emitowana w postaci tych cząstek. Dlaczego, skoro neutrina są wolniejsze niż światło, dotarły do Ziemi pierwsze? Bo dostały fory na starcie. Przeszły jak przez masło przez wszystkie warstwy gwiazdy i uciekły w kosmos, zanim fala uderzeniowa wywołana przez kolaps jądra dotarła do powierzchni, rozrywając zewnętrzną powłokę supernowej. Światło wybuchu goniło neutrina przez 168 tys. lat, ale nie zdążyło ich dogonić. Różnica prędkości była zbyt mała.
Lektura uzupełniająca dla dociekliwych
Strona Wydziału Fizyki UW poświęcona fizyce neutrin (gorąco polecam!).
