miony – Eksperyment Myślowy

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!

Jeden z poprzednich tekstów na naszym blogu pt. Ciemna materia, czyli królowa jest naga w świetny sposób przybliżył nam temat związany z materią, która, jeśli istnieje, to oddziałuje z pozostałą wyłącznie za pomocą grawitacji i być może za pośrednictwem oddziaływań słabych. Jeśli nie czytaliście, to gorąco zachęcam.

Moje poprzednie wpisy miały zaś na celu przybliżenie aparatu matematycznego, którego używamy do opisu materii i oddziaływań zebranych razem jako Model Standardowy. O ile można łatwo zgodzić się z istnieniem elektronów i kwarków górnych oraz dolnych, o tyle pozostałe cząstki, takie jak neutrina czy cięższe leptony, czyli mion i taon, wydają się dziwną koncepcją. Czy mamy jakiekolwiek dowody na to, że są to realne cząstki, a nie wyłącznie matematyczne twory, które ładnie pasują do modelu? Mamy i to nawet obserwacyjne!

Detekcja neutrin jest nie do przeprowadzenia w warunkach domowych – głownie z uwagi na rozmiar detektorów. Umówmy się, że mało kto ma możliwość umieszczenia w piwnicy zbiornika zawierającego 50 000 ton wody. Jednak możemy pokusić się o próbę upolowania innych cząstek znanych nam z modelu standardowego, czyli właśnie mionów, i zaraz dowiecie się jak zrobić to w domu!

Czym są same miony? Mają właściwości dokładnie takie jak znane nam elektrony – są leptonami, czyli nie oddziałują silnie; posiadają ładunek elektryczny, czyli oddziałują elektromagnetycznie; posiadają jak wszystkie fermiony połówkowy spin i podlegają oddziaływaniu słabemu. Tym, co odróżnia je od elektronów, jest masa – 105,65 MeV, czyli są około 200 razy cięższe. Z pewnością oddziałują grawitacyjnie, ale jak wspomniałem wcześniej, nie posiadamy żadnej teorii pozwalającej nam opisać takie efekty ani tym bardziej nie mamy możliwości ich obserwacji w takich skalach.

Skąd owe miony się biorą? Generalnie to z kosmosu, a ściśle – z górnych warstw atmosfery, która jest cały czas bombardowana wysokoenergetycznymi cząstkami pochodzącymi ze Słońca, promieniowania kosmicznego, wybuchów supernowych, zderzeń gwiazd neutronowych itp. Te cząstki poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a ich zderzenia z jądrami atomów budujących naszą atmosferę dają kaskadę cząstek wtórnych, pośród których najliczniej występują różnego rodzaju mezony, w tym piony.

Tu krótkie przypomnienie: mezony to cząstki zbudowane z pary kwark–antykwark; nie są to cząstki trwałe i szybko ulegają rozpadowi. Produktem takich rozpadów są właśnie miony, które są również cząstkami nietrwałymi – ich średni czas życia wynosi 2,197 · 10⁻⁶ s, czyli w przybliżeniu 2,2 mikrosekundy. I tu można właściwie zapytać: to jakim cudem chcemy je łapać w domu, skoro do warstw atmosfery, gdzie powstają, mamy jednak kawałek liczony w dziesiątkach kilometrów, podczas gdy tak krótki czas życia pozwala na przebycie dystansu jakiśch 660 metrów, co możemy łatwo udowodnić, przekształcając wzór V = s/t, aby uzyskać s, czyli drogę? Rozwiązaniem tej zagadki jest V, jakie musimy umieścić w tym równaniu – powstałe miony poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a przecież Einstein miał rację! Pamiętacie o zjawisku znanym jako dylatacja czasu? Jeśli jakiś obiekt w stosunku do nas porusza się z prędkościami bliskimi c, to jego czas płynie wolniej w stosunku do naszego. O ile wolniej? Da się to dość łatwo obliczyć, jeśli wiemy, z jaką prędkością taki mion się porusza – dla uproszczenia przyjmijmy, że jest to 99% prędkości światła w próżni:

Pod grecką literą gamma kryje się tzw. czynnik Lorentza, który mówi nam, że zegar takiego mionu w stosunku do naszego „tyka″ około 70 razy wolniej, co oznacza, że jego 2,2 mikrosekundy wyglądają dla nas jak 0,15 milisekundy, a więc taki mion może przebyć znacznie większy dystans, bo około 40 kilometrów. Miony, które obserwujemy, są kolejnym dowodem na to, że Einstein miał rację, a takie efekty naprawdę istnieją! To jak złapać taki mion w kuchni? Samą cząstkę to będzie ciężko – obiektów tak małych gołym okiem zobaczyć się nie da, okiem ubranym (poprawnie: uzbrojonym, ale nie mogłem się powstrzymać) także. Możemy jednak zaobserwować efekty, jakie wywołują, a konkretnie trajektorie, po jakich się poruszają, za pomocą urządzenia, które zbuduje każdy bez większej wiedzy technicznej przy pomocy rzeczy, które są do nabycia bez większych kłopotów w sklepach i przez internet. Mam tu na myśli coś, co jest szerzej znane jako komora mgłowa lub komora Wilsona, za pomocą której udowodniono między innymi istnienie pozytonów.

Komora mgłowa czyli domowy detektor cząstek

Sama nazwa tego urządzenia sugeruje jego zasadę działania: w jej wnętrzu nie ma cząsteczek np. pyłów, na których powierzchni para mogłaby ulegać kondensacji. Z pewnością słyszeliście pojęcie „jądra kondensacji″: jest to właśnie taka cząsteczka, na której para może zacząć się skraplać. Nie musi być to koniecznie pył czy kurz. Takie właściwości mają również jony, które powstają, gdy we wnętrzu naszej komory znajdzie się cząstka obdarzona sporą energią. Pary alkoholu ulegną kondensacji na powstałych na trasie takiego przelotu zjonizowanych cząsteczkach, czego efektem będą „chmurki″ o różnej grubości i długości, o czym za chwilę.

To tyle teorii a teraz powiedzmy sobie jak zbudować taką „pułapkę na miony″? No to poniżej lista zakupów:

Prawda, że nic skomplikowanego? Jeśli nie uda się wam zdobyć akwarium w tych rozmiarach, spokojnie może zostać zastąpione np. plastikowym pudełkiem (z tym że plastik musi być przezroczysty); filc można spokojnie zastąpić inną tkaniną. Blachy zaś muszą dobrze pasować do pojemnika, tak aby powstające wewnątrz pary nie uchodziły na zewnątrz. Z braku blach można wykorzystać jakiś pojemnik i przykryć go metalem w kolorze czarnym, co zapewni dobry kontrast i ułatwi obserwacje. Całość brzmi banalnie i taka jest – a przy pomocy tej metody uzyskano dwie nagrody Nobla 🙂

Suchy lód umieszczamy na dnie jednej z blach – można go dodatkowo pokruszyć tak, aby powierzchnia była pokryta możliwie równomiernie. Przypominam, że suchy lód to zestalony dwutlenek węgla, więc eksperyment należy przeprowadzić w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, a dłonie i oczy należy ochraniać za pomocą rękawic i gogli. Blachę z lodem przykrywamy drugą. Filc umieszczamy na dnie akwarium – przytwierdzić można go w dowolny sposób; ważne, aby unikać różnych klejów, gdyż te zostaną błyskawicznie rozpuszczone przez izopropanol, którym należy nasączyć wspomniany filc. Alkoholu powinno być tyle, aby tkanina była mokra, ale by z niej nie kapało, gdy odwrócimy akwarium do góry dnem i umieścimy na blachach z suchym lodem. Eksperyment prowadzimy po ciemku, a wnętrze komory należy oświetlić latarką. Po kilku minutach wnętrze komory powinno wypełnić się oparami alkoholu chłodzonymi przez suchy lód; skrzypiące dźwięki są całkowicie naturalną konsekwencją zetknięcia metalu z tak zimną powierzchnią. Po kwadransie będziecie widzieli już liczne ślady, które są konsekwencją przelotu różnych rodzajów cząstek. Poniżej ilustracja:

Chude, proste linie to miony lub antymiony. Taki kształt tworzącej się „chmurki″ wynika z tego, że poruszają się niezwykle szybko, a więc posiadają dużą energię kinetyczną. Jeśli zauważycie nagłe załamanie lini tak jakby cząstka gwałtownie skręciła, to zaobserwowaliście rozpad mionu na elektron i odpowiednie neutrina. Gruba, krótka chmurka to dowód na istnienie ciężkich cząstek alfa, a cieniutka, pofalowana to zjawisko związane z odpychaniem się elektronów o tożsamym ładunku.

Gorąco zachęcam do przetestowania tej metody detekcji cząstek oraz do zadawania pytań. No i może podzielenia się efektami eksperymentu 🙂

Eksperyment Myślowy

popularyzujemy naukę

Tag: miony

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część piąta

Pułapka na miony