Tag: zasady zachowania

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.

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.