Tag: neutrina

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część trzecia

Lucas BergowskyLeave a comment

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga.

Zostawiliśmy naszych nieszczęsnych fizyków na początku XX wieku z potężnym problemem: rozpad beta zachodził na ich oczach, jednocześnie poważnie naruszając dotychczasową wiedzę o zasadach zachowania. Prosty dwuciałowy model tego zjawiska (mówiący o tym, że jądro jednego pierwiastka przemienia się w inne, emitując elektron) choć doskonale opisywał to, co każdy z nich obserwował na własne oczy, nie spełniał podstawowych zasad rządzących Wszechświatem.

Jak powszechnie wiadomo, w takich wypadkach uznani naukowcy określają odkrywców zjawiska przeczącego ich teoriom mianem “foliarzy”, odkrycie się wyśmiewa, nazywa bzdurą oraz absurdem i wraca do wymyślania niestworzonych rzeczy, których nikt nie rozumie. Tymczasem w rzeczywistości nie ma takiej opcji. Jeśli odkryto zjawisko, które ewidentnie zachodzi i przeczy naszym teoriom, to należy je wyjaśnić. Rozpad beta zachodził, a wielokrotnie powtarzane eksperymenty dawały jednoznaczne obserwacje, z których można było wyciągnąć tylko jeden wniosek: albo zasady zachowania, które obowiązują wszystko we Wszechświecie, robią wyjątek dla tego zjawiska, albo my czegoś nie widzimy.

Ja jestem skłonny raczej twierdzić, że to zasady zachowania mają rację i obowiązują również w tym wypadku, a to my pomijamy coś bardzo oczywistego. Dlaczego ma to być takie oczywiste? Bo w naszym Wszechświecie nie można sobie istnieć wbrew zasadom, a te są jasne. No to pomyślmy: czego brakuje w naszym rozumieniu tego zjawiska? Takie rozmyślanie nie różni się wiele od typowania sprawcy przestępstwa. No właśnie – kto uniósł energię kinetyczną z tego rozpadu, czym jest trzeci element? Wiemy, że musi być to cząstka materii. I nie zgadujemy ale wiemy to na pewno!

Z poprzednich tekstów pamiętamy, że rozpad beta do momentu odkrycia neutronu zdawał się łamać zasadę zachowania ładunku elektrycznego. Ładunek neutronu wynosi 0, sumaryczne ładunki elektronu i protonu wzajemnie się znoszą, dając również 0; oznacza to, że ładunek elektryczny trzeciego elementu wynosi również 0! Aby nie naruszać zasady zachowania pędu, spin tego elementu musi wynosić 1/2. Tylko taka wartość pozwoli tak poustawiać spiny produktów rozpadu, aby sumarycznie dawały początkową wartość spinu neutronu. Cząstki budujące materię Wszechświata mają spin 1/2 i są nazywane zbiorczo fermionami od nazwiska E. Fermiego, któremu zawdzięczamy również nazwę nadaną trzeciemu elementowi tego równania. Cząstka ta została nazwana “neutrinem”, co jest włoskim zdrobnieniem od – jak łatwo się domyślić – neutronu.

Samą ideę takiej cząstki zawdzięczamy W. Pauliemu. Dodając do wcześniejszego modelu trzecią cząstkę o takich właściwościach, mogliśmy łatwo wyjaśnić obserwowane zjawisko: pierwotne jądro atomu przemieniało się w inne przy jednoczesnej emisji dwóch cząstek, czyli elektronu i neutrina, co gładko rozwiązywało problem z zasadą zachowania ładunku oraz pędu oraz wyjaśniało pozorne łamanie zasady zachowania energii. W tym modelu, jeśli obserwowaliśmy elektron o większej energii kinetycznej, to oznacza, że mniej jej uniosło powstałe neutrino i na odwrót. Tu wszystko się zgadza: mamy pewną pulę energii na początku, a na końcu jej suma odnajduje się w masach spoczynkowych powstałego atomu, elektronu i neutrina oraz ich energiach kinetycznych, które mogą być dowolne aż do przypadków skrajnych, w których całą energię kinetyczną uniesie elektron, a neutrino pozostanie w spoczynku, i na odwrót, gdy całość uniesie neutrino. Dlaczego to takie istotne?

Bo można w ten sposób oszacować masę neutrina! Masę jądra na początku możemy wyznaczyć bez większych problemów, tak jak i masę elektronu; wiemy również, ile energii pozostaje do wykorzystania, aby obydwie strony równania się zgadzały. No to teraz pozostaje nam rejestrować energie kinetyczne elektronów. Najbardziej interesują nas te najbardziej energetyczne, bo są to te, które uniosły większość dostępnej energii – reszta musi stanowić masę spoczynkową powstałego neutrina. Prawda, że fizycy są cwani? Prawda – tylko jak zwykle okazało się, że mamy problem. Pomiary takie są trudne, bo przypadki skrajne w spektrum energetycznym są rzadkie, a trzeba ich zliczyć dużo, a dodatkowo znów zachodzi problem związany z oddziaływaniem powstałego elektronu z jądrem atomowym przed jego opuszczeniem, gdzie również tracił część energii, co zaburzało precyzję pomiaru. W każdym razie bezpośrednie próby pomiaru spełzły na niczym: wielokrotne obserwacje wskazywały, że masa tej cząstki jest nieodróżnialna od zera. O ile na brak ładunku elektrycznego można się od biedy zgodzić w przypadku cząstek o spinie 1/2, o tyle brak masy to już pewna paranoja. W przypadku fotonów czy gluonów jest to jakoś do przełknięcia: mają spin 1 i jedyne, co robią, to przenoszą oddziaływania. Jednak brak masy spoczynkowej w przypadku cząstek budujących materię oznaczałby, że są naprawdę wyjątkowe na tle wszystkich pozostałych, które jednak masy posiadają. Nie było wyraźnego powodu, dla którego neutrina miałyby być inne pod tym względem.

Prawda że wygodnie sobie to Pauli wymyślił? Masa taka, że może jej równie dobrze nie być, a więc nie do wykrycia za pośrednictwem dostępnych ówcześnie metod; ładunek zerowy, a więc nie oddziałuje elektrycznie, więc nie do wykrycia za pośrednictwem detektorów takiego ładunku; spin jak zwykła cząstka, więc wszystko się zgadza; oddziaływania silnego nie odczuwa, bo wydostaje się z jądra równie łatwo jak elektron. Problem rozwiązany, zasady zachowane, mamy cząstkę-ducha i można się rozejść. No właśnie nie można. Nauka ma to do siebie, że można tworzyć teorie, jakie się tylko uważa, byleby były zgodne z zasadami zachowania, ale postulowane zjawisko lub istnienie obiektu muszą zostać udowodnione w obiektywny sposób. Czyli wszelkiej maści “ja widziałem, wydaje mi się, wy mi udowodnijcie że to nieprawda, łączcie kropki” etc. nie mają żadnego znaczenia. Istnienie cząstki, która nie oddziałuje w żaden zauważalny sposób, musi zostać udowodnione, najlepiej eksperymentalnie. Pasuje do modelu idealnie, ale jak złapać coś, co nie oddziałuje elektromagnetycznie ani silnie, no i jak rozwiązać problem z masą?

Pauliemu wydawało się to niemożliwe, Fermi również nie wiedział jak to rozgryźć. My jednak wiemy, że neutrina istnieją, co oznacza, że ktoś wpadł na coś oczywistego, co rozwiązało ten problem i zapewne spowodowało pojawienie się pięciu następnych. Tym czymś genialnie prostym była odpowiedź na pytanie które brzmi: a co, jeśli rozpad beta przebiegnie na odwrót?

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

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga

Lucas BergowskyLeave a comment

Część pierwsza: Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.

W poprzednim wpisie przerwałem opowieść w miejscu, gdzie eksperymentalnie stwierdzono, że elektrony emitowane w rozpadzie beta mają różne energie kinetyczne. Odkrycie to sprawiło, że pierwotny opis tego rozpadu można sobie było schować do szuflady. Opis ten – przypomnijmy – stwierdzał, że jądro atomowe emituje elektron i zamienia się w inne. Ale przecież wydaje się on zgodny z prawdą, więc co w nim się nie zgadzało? Otóż każdy opis musi być zgodny z rzeczywistością, a jej prawa w naszym Wszechświecie wyznaczają zasady zachowania. Każdy opis zjawiska i każda teoria je opisująca muszą być z nimi zgodne.

“Jeśli nie podoba ci się Wszechświat, to po prostu idź sobie gdzieś indziej” – jak żartował Feynman. Ponieważ nie ma takiej opcji, to skupmy się na rozpadzie beta i problemach, które mieli z nim ówcześni fizycy. Gdyby emitowane elektrony miały zawsze tę samą energię kinetyczną, to jedynym problemem byłoby wyjaśnienie, skąd się bierze emitowany elektron! To jednak istotne w świetle zasady zachowania ładunku elektrycznego. W tamtych czasach wiedziano niewiele, ale wiedziano, że jądro ma ładunek dodatni, a elektron ujemny. Jeśli w wyniku rozpadu beta jądro o ładunku dodatnim zamienia się w inne jądro o takim samym ładunku, to ładunek ujemny unoszony przez elektron bierze się w tym równaniu znikąd, a tak być nie może! No bo jak by to miało wyglądać? Mamy jądro składające się z pewnej liczby protonów, które emituje elektron i staje się jądrem zawierającym o jeden proton więcej. Skąd on się tam wziął i co się działo z jego ładunkiem wcześniej? Można próbować karkołomnego rozumowania o protonach z podczepionymi elektronami, których ładunki wzajemnie się znoszą aż do momentu emisji. Tylko że to bzdura piramidalna, bo nie ma oddziaływania które mogłoby taką parę utrzymać.

Rozpad beta zachodził i zachodzi. Widziano to na własne oczy i nie potrafiono powiedzieć, dlaczego istnieje proces, który zdaje się łamać zasadę zachowania ładunku. Rozwiązaniem okazały się, jak to zwykle w fizyce bywa, dalsze obserwacje i eksperymenty. W 1932 niejaki J. Chadwick podczas swoich eksperymentów zaobserwował istnienie nowej cząstki, nieznacznie cięższej niż proton, o zerowym ładunku elektrycznym, która została nazwana neutronem. Wprowadzenie neutronów do modelu jądra atomowego pozwoliło wyjaśnić pozorne złamanie wyżej wspomnianej zasady. To nie z protonem działo się coś dziwnego, w wyniku czego z nicości zjawiał się elektron. To neutron przemieniał się w proton, emitując elektron – w tym równaniu wszystko się zgadza: po jednej stronie ładunek wynosi zero, a po drugiej stronie sumarycznie również zero.

Jednak wprowadzenie neutronów do jądra, choć rozwiązuje problem z zasadą zachowania ładunku, nie jest w stanie wyjaśnić innego problemu, który zaobserwowano w eksperymentach opisanych w części pierwszej: elektrony były emitowane z różnymi energiami kinetycznymi, a zasadę zachowania energii jednak warto przy konstruowaniu każdej teorii uwzględnić, bo inaczej wychodzą potężne bzdury. Jeśli ówczesne rozumienie tego procesu byłoby poprawne, to emitowany elektron koniecznie musi zawsze mieć taką samą energię kinetyczną. Gdy po jednej stronie równania mamy jądro o ustalonej masie, a po drugiej nowe jądro oraz elektron, których masy są również ustalone, to ich suma musi dać nam masę początkowego jądra, a jak stwierdzono eksperymentalnie, tak nie jest – nowe jądro oraz elektron są lżejsze niż pierwotne. Na szczęście z pomocą przychodzi Einstein a konkretnie E = mc2. Masa to przecież forma energii, a energia może zamieniać swoje formy z jednej w drugą. Dowodem na poprawność takiego rozumowania jest zarówno ognisko, jak i reaktor jądrowy.

Brakująca w tym układzie masa jest unoszona przez wyemitowany elektron w postaci energii kinetycznej! No to kolejny problem rozwiązany? – Nie! Bo ta energia, jak mówimy od początku, ma różne wartości, a tak być nie może. Jeśli kazałbym wam rozwiązać następujące równanie: 4 = 2 + 1 + x, to wartość, jaką może przybrać x, jest tylko jedna. Skoro jądro ma stałą masę, a powstałe elektron i nowe jądro również, to elektron nie ma za bardzo w czym wybierać: pozostała energia/masa nie może sobie tak nagle wyparować z równania. Coś ją unieść musi – może emitowane często następczo promieniowanie gamma, czyli wysokoenergetyczne fotony? Nie: raz, że taka emisja następuje później; dwa, że fotony związane z falą o konkretnej częstotliwości mają ściśle określoną wartość energii. Tego chwilowo fizyka nie potrafiła rozgryźć.

Ni w prawo, ni w lewo – zresztą z “w prawo” i “w lewo” (względnie “w górę” i “w dół”) rozpad beta też ma pewien niezaniedbywalny problem. Neutron w jądrze może i ratował rozpad beta w zakresie zasady zachowania ładunku, ale sprawiał, że obserwowany proces stawał się dyskusyjny w zakresie zasady zachowania pędu. Każda cząstka posiada przecież swój wewnętrzny moment pędu nazywany spinem, który powoduje, że zachowuje się, jakby wirowała. Oczywiście cząstki takie jak proton, neutron czy elektron nie wirują w sposób rzeczywisty, gdyż prędkość takiego wirowania osiągałaby wartości wielokrotnie przewyższające prędkość światła. Spin może przybierać różne wartości – dla cząstek wspomnianych wyżej przybiera on wartość +1/2 lub -1/2. Jeśli neutron posiadający taki spin miałby się rozpaść na proton i elektron, których spiny również mogą przybierać takie wartości, to mamy problem z jego zachowaniem w rozpadzie. Jeśli po jednej stronie mamy +1/2 to po drugiej stronie musi wyjść tyle samo, a nie wychodzi.

No i tu pojawiają się neutrina. Żeby rozpad beta mógł zachodzić, musi być zgodny z zasadami zachowania, a według tego, co wiemy, ewidentnie je łamie. Albo zasady zachowania w tej sytuacji nie obowiązują, albo czegoś w naszej teorii brakuje. Czegoś, co ładunku elektrycznego nie przenosi, masę ma niewielką (jeśli ma), no i z pewnością ma spin 1/2. Tylko co to jest i jak to wykryć? Tu na scenę wchodzi niejaki Wolfgang Pauli, a swoją teorię przedstawi w kolejnej części tej opowieści.

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

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza

Lucas BergowskyLeave a comment

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.