Tag: neutrina

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – straszny artykuł w prasie…

Lucas Bergowsky4 komentarze

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.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część piąta

Lucas BergowskyLeave a comment

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.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część czwarta

Lucas BergowskyLeave a comment

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część trzecia

Fizyków głowiących się nad pozornym łamaniem zasad zachowania w rozpadzie beta pozostawiliśmy w latach 30. XX wieku. Rozwiązanie nad wyraz eleganckie w swej prostocie zaproponował Wolfgang Pauli. Neutron miał przemieniać się w proton z jednoczesną emisją elektronu i nowej cząstki nie przenoszącej ładunku elektrycznego, która miała unosić część energii kinetycznej tego rozpadu. To tłumaczyło, dlaczego elektrony mają różne energie, a ładunek pozostaje zachowany.

Chociaż jest to niezłe wyjaśnienie obserwowanego zjawiska, to taka teoria jest niewiele warta, dopóki postulowana cząstka nie zostanie zaobserwowana lub jej istnienie nie zostanie dowiedzione pośrednio. No i z tym Pauli miał twardy orzech do zgryzienia – no bo jak zaobserwować cząstkę tego rodzaju? Bezpośrednie obserwacje to oczywisty absurd. Takie coś jest po prostu zbyt małe, aby to położyć pod jakikolwiek mikroskop, również elektronowy, sił jądrowych etc. Ta cząstka dodatkowo ma nie posiadać ładunku elektrycznego, co wyklucza próby wykorzystania pola elektromagnetycznego. Postulowany obiekt na dokładkę nie oddziałuje z siłami jądrowymi spajającymi jądro atomowe, a bezpośrednie próby pomiaru wskazują, że jeśli takie coś istnieje, to jego masa jest nieodróżnialna od zera.

Nie ma znaczenia, jakich użyjemy magnesów lub z czego zostanie wykonany detektor – ta cząstka z założenia nie bierze udziału w tych oddziaływaniach. No i mamy takie rozwiązanie problemu, że stanowi ono problem samo w sobie: każda teoria jest warta tyle, na ile sprawdzalne są jej postulaty. W tej wszystko pasuje, ale jak złapać postulowanego ducha? Tu Pauli poległ, na szczęście gdzie Pauli nie może, tam Fermi potrafi!

Wyżej wspomniany włoski uczony o materii wiedział sporo – w końcu od jego nazwiska bierze się nazwa rodziny cząstek ją budujących, tj. „fermionów”. Enrico postanowił opisać rozpad beta za pomocą nowatorskich metod mechaniki kwantowej. To było to! Fermi zauważył, że przy pomocy równań uwzględniających kwantową naturę cząstek da się idealnie przewidzieć spektrum energii elektronów. Można z dużym prawdopodobieństwem przewidywać pojawiające się energie i zachowanie samego procesu. Nic tak nie cieszy naukowca jak teoria z w miarę sprawnie działającym aparatem matematycznym. Skąd ten entuzjazm u Fermiego i jakie ma to znaczenie dla prób upolowania neutrin? Tu trzeba sobie przypomnieć pewną piękną cechę naszego Wszechświata – symetrię! Nawet na poziomie obserwowanych przez nas zjawisk możemy odnaleźć ją na przykład w reakcjach chemicznych, które są odwracalne. Przykładem mogą być te zachodzące w akumulatorach, o czym więcej tutaj: Przynieś dwa wiadra prądu! Nie ma absolutnie żadnych przeciwwskazań, aby rozpad beta mógł również zachodzić na odwrót, tak długo jak szanujemy zasady zachowania.

Fermi zastanawiał się, czy neutrino emitowane w tym rozpadzie samo może również w jakiś sposób oddziaływać z materią, tak aby proton uległ przemianie w neutron z emisją wcześniej odkrytej cząstki – pozytonu, tj. odpowiednika elektronu w świecie antymaterii. Taki proces szanuje zasady zachowania, a więc jak najbardziej może zajść we Wszechświecie, w którym z definicji dzieją się wyłącznie rzeczy możliwe.

Jeśli udałoby się go zaobserwować, to mielibyśmy pośredni dowód na istnienie szukanej cząstki. Dalej mówimy o możliwościach naukowców w latach 30. XX wieku. Fermi z Paulim ostro żałowali, że zachciało im się takie teorie formułować, bo wnioski może i piękne, ale mało sprawdzalne. Na szczęście nauka nie kończy się na uznanych autorytetach i pierwszorzędnych naukowcach. Ci mniej znani też mają dobre pomysły – a dobre są te, które są proste i oparte na dobrze poznanych zjawiskach. No i tak się fajnie składa, że wiedziano dość dobrze o pewnym zjawisku, które daje zawsze ten sam charakterystyczny efekt. Mowa tu o anihilacji materii i antymaterii, które napotykając na siebie, znikają w oślepiającym błysku światła! Mówiąc mniej poetycko, światło oznacza zawsze jakiś rodzaj fotonów, a błysk – ich emisję. Spójrzcie raz jeszcze na ilustrację: pozyton jest cząstką antymaterii, która może anihilować, jeśli napotka swego kuzyna, tj. elektron. Anihilacji tej towarzyszy emisja dwóch kwantów promieniowania gamma, które emitowane są niemal w przeciwległych kierunkach, a to już daje pewne możliwości budowy detektora zdolnego do wykrycia takiego zjawiska. Wystarczy, że pozyton napotka na elektron materii go budującej i mamy to!

Całość sprowadza się do zaplanowania eksperymentu, który będzie zdolny wykryć taką emisję, a skoro mamy do dyspozycji równania zdolne powiedzieć nam, z jakim prawdopodobieństwem może to zajść w zadanych warunkach, to możemy zaplanować miejsce eksperymentu tak, aby warunki były jak najbardziej korzystne. No, przecież nikt rozsądny nie stanie z detektorem na środku ulicy, aby patrzeć, czy dane zjawisko ma miejsce, bo w tych warunkach ze 100% pewnością nie wykryjemy nic. Eksperymenty przeprowadza się w kontrolowanych warunkach i z odpowiednią czułością, która zależy od prawdopodobieństwa szukanego zjawiska. Obliczenia uwzględniające odkrycia Fermiego nie napawały optymizmem. Trzeba by bardzo długo patrzeć, aby dostrzec, tak znikome jest prawdopodobieństwo zajścia tego procesu samoistnie. Skoro tak, to może trzeba zjawisku pomóc zajść? Robimy to przecież w przypadku ciężkich jąder, np. uranu, którego rozpad wymuszamy poprzez interakcję z neutronem o odpowiedniej energii. Prosty wniosek mówi nam, że w tym wypadku potrzeba nam wydajnego źródła neutrin. Przypominam, że w tamtych czasach jedynym procesem, który był znanym źródłem tej cząstki, był rozpad beta. Czyli wydajnym źródeł neutrin byłoby coś, co powoduje dużo rozpadów beta w krótkim czasie, co gwarantuje obfitość szukanych cząstek. W tamtych czasach nie potrafiono nic z tym zrobić – ale wystarczyło, że minęło niecałe 20 lat, i problem się rozwiązał. No to zagadka: co powoduje dużo rozpadów beta w mgnieniu oka i równa miasta z powierzchnią ziemi? Podpowiedzią niech będzie ilustracja:

Bomba atomowa jest świetnym źródłem neutrin, jest to jednak źródło cokolwiek problematyczne z uwagi na szkody w infrastrukturze i ogólną niechęć społeczeństwa do eksperymentów tego rodzaju. Potrzeba nam czegoś innego – czegoś, co da się okiełznać bez ryzyka (lub z akceptowalnym ryzykiem). I znów świetnie się składa, bo mamy coś takiego:

Reaktor jądrowy jest również źródłem neutrin, bo zachodzą w nim te same procesy, co w bombie, aczkolwiek w kontrolowany sposób. Skoro mamy dużo neutrin, to pozostaje nam tylko dobrze zaplanować eksperyment. Podjęli się tego w 1955 roku Fred Reines i Clyde Cowan. Ich eksperyment odbył się w Savannah River. W odległości około 12 metrów od reaktora umieszczono trzy zbiorniki wody izolowane tak, aby żadna z cząstek innych niż neutrino nie przechodziła z reaktora przez barierę. W wodzie rozpuszczono chlorek kadmu, a same zbiorniki otoczono warstwą substancji o właściwościach scyntylacyjnych i fotopowielaczami.

Dlaczego w ten sposób i po co chlorek kadmu w wodzie? Spójrzmy na ilustrację:

Wyemitowany w odwrotnym rozpadzie beta pozyton szybko napotka na elektron – w końcu nie dzieje się to w próżni, ale jak mówią mądre podręczniki, w ośrodku materialnym. Wyemitowane fotony napotkają na okalającą zbiornik wody substancję, w której zachodzi zjawisko znane jako scyntylacja, polegające na powstawaniu błysku światła, gdy promieniowanie jonizujące przechodzi przez materiał o takich właściwościach. Promieniowanie elektromagnetyczne to strumień fotonów, część z nich jest absorbowana przez elektrony lub całe cząsteczki, co powoduje ich przejście do stanu wzbudzonego. Jak pamiętamy z poprzednich tekstów, najprostszym sposobem na powrót do stanu podstawowego jest pozbycie się nadmiaru energii poprzez emisję fotonu. Wyemitowany będzie już o wiele mniej energetyczny, a więc możliwy do zaobserwowania w formie „błysku” światła. Ponieważ rejestrowanie takich błysków gołym okiem wymagałoby skupienia tybetańskich mnichów, korzystamy z urządzeń znanych jako fotopowielacze. Dwa błyski zarejestrowane w tym samym czasie po obu strona zbiornika są dowodem na zajście takiej anihilacji. Czy to jednak wszystko? Nie, bo skąd wiadomo, że zarejestrowaliśmy anihilację pozytonu, który powstał w odwrotnym rozpadzie beta a nie jakiegoś innego? Po to właśnie jest kadm w tym równaniu! Powstały neutron będzie również oddziaływał z innymi cząstkami, wytracając energię i spowalniając. A są jądra takich pierwiastków, które taki spowolniony neutron chętnie pochłoną, np. ksenon, który tak namieszał w czarnobylskim reaktorze, czy dodany do zbiorników wody w Savannah River kadm. Jądro, które pochłonęło taki neutron, znajduje się w stanie wzbudzonym, a do podstawowego wraca, emitując najczęściej foton , który możemy również wyłapać na wspomnianych detektorach. Pozostało jedynie obliczyć, jak często powinniśmy obserwować błyski światła, jeśli taki proces faktycznie zachodzi. Wyniki były jednoznaczne: jeżeli neutrina faktycznie istnieją, to będziemy obserwować trzy błyski światła. Dwa jednocześnie po obu stronach detektora i jeden ułamek sekundy później.

To było to! Na własne oczy każdy mógł stwierdzić, że zachodzi proces, którego jedynym sensownym wyjaśnieniem są cząstki-duchy. O trudnej do ustalenia masie, bez ładunku koloru i elektrycznego, a biorące udział w tajemniczym oddziaływaniu. Tak właśnie odkryto neutrina – nie dlatego, że ktoś je sobie wymyślił, a następnie szukaliśmy ich wszędzie, gdzie się dało. Zauważyliśmy je, bo jak zwykle okazywało się, że jeśli jesteśmy zupełnie pewni naszych teorii, to chwilę później okazuje się, że to straszne głupoty. Zauważyliśmy je, stosując się do praw Wszechświata i uwzględniając zasady zachowania.

Czy to koniec opowieści? Nie, bo jak wspomniałem poprzednim razem, nauka nigdy się nie kończy; bo każde odkrycie pokazuje nam, że czegoś nie rozumiemy. Eksperymentalne odkrycie neutrin może i wyjaśniło rozpad beta i dało nam nowy klocek do teorii, ale okazało się że może i mamy neutrino, ale co dalej? Czy zaobserwowaliśmy neutrino, czy może antyneutrino? Czy istnieje tylko jeden rodzaj neutrina? Czy istnieją inne zjawiska, w których ta cząstka bierze udział? No i pojawił się pewien problem z zasadą zachowania. Na te pytania postaram się odpowiedzieć kolejnym razem, a pomoże nam coś, co zaobserwowano pierwotnie na Wieży Eiffla!

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