Neutrino mionowe

Aby wyjaśnić dlaczego mion nie może rozpadać się na elektron i kwant światła (foton), wprowadzona została zasada zachowania liczby elektronowej i mionowej. Mion obdarzony został liczbą mionową +1 i mógł się rozpaść tylko w taki sposób, że sumaryczna liczba mionowa produktów rozpadu również musiała być równa jedności. Okazało się, że jedno z neutrin powstające w rozpadzie jest obdarzone ową jednostkową liczbą mionową. Zgodnie z tą teorią elektron powinien być natomiast obdarzony dodatnią liczbą elektronową, a drugie z neutrin (a właściwie anty-neutrino) pojawiające się w rozpadzie mionu powinno przenosić liczbę elektronową równą -1. W takim wypadku rozpad mionu nie generuje liczby elektronowej (elektron i anty-neutrino w sumie dają zerową liczbę elektronową), zaś liczba mionowa jest zachowana. Okazuje się, że inne rozpady, w których biorą udział neutrina, również wymagają wprowadzenia owych liczb. Neutrina przenoszące liczbę mionową nazwano neutrinami mionowymi, zaś elektronową, elektronowymi. W latach 60-tych przeprowadzono eksperymentalne potwierdzenie istnienia dwu rodzajów neutrin.


Na poprzedniej stronie powiedzieliśmy, że istnieją w przyrodzie dwie nowe zachowane w oddziaływaniach cząstek wielkości - liczba elektronowa i liczba mionowa. Pierwsza z nich wynosi +1 dla elektronu, zaś druga +1 dla mionu. Dla anty-cząstek liczby te są przeciwne. Pokazaliśmy również przykład reakcji, która jest zabroniona ze względu na zachowanie owych liczb. Reakcja ta rzeczywiście okazuje się nie występować w przyrodzie. Teraz omówmy rozpady beta, rozpady pionów i rozpady mionów w świetle owych zachowanych wielkości.

Liczby leptonowe

W rozpadzie beta neutron zmienia się w proton, elektron i neutrino. Logiczne będzie przyjęcie, że neutron nie jest obdarzony różną od zera liczbą elektronową. Podobnie przyjmiemy, że proton nie przenosi owych liczb. Jeśli więc na początku reakcji liczba elektronowa wynosi zero (mamy tylko neutron), na końcu zaś mamy elektron o liczbie +1, to wydaje się, że proces łamie zasadę zachowania liczby elektronowej, chyba że... No właśnie, chyba że założymy, iż neutrino powstające w rozpadzie beta jest obdarzone elektronową liczbą równą -1. Wtedy +1 plus -1 daje nam 0.

Rozpad beta i liczby leptonowe

Jak to jest w rozpadzie pionu? Przypomnijmy, że pion rozpada się na mion i neutrino. Jeśli przyjąć, że pion obdarzony jest liczbą elektronową i mionową równą zero, a na końcu mamy do czynienia z liczbą mionową równą +1 (mamy mion), to neutrino powstające w rozpadzie musi być obdarzone liczbą mionową -1. W tym wypadku neutrino to musi oczywiście posiadać liczbę elektronową równą 0.

Rozpad pionu i liczby leptonowe

Popatrzmy teraz na rozpad mionu. Jak powiedzieliśmy, mion rozpada się na elektron i dwa neutrina. Mion posiada liczbę mionową równą +1. Liczba elektronowa dla mionu jest 0. Elektron natomiast ma liczbę mionową równą 0, zaś elektronową +1. Aby spełnione były prawa zachowania obu liczb, powstające w procesie neutrina muszą unosić ze sobą liczbę elektronową równą -1 oraz liczbę mionową równą +1. Skoro w reakcji powstają dwa neutrina, to logicznym założeniem jest stwierdzenie, iż jedno z tych neutrin obdarzone jest liczbą elektronową -1 (identyczne neutrino powstaje w rozpadzie beta), a drugie obdarzone jest liczbą mionową równą +1.

Rozpad mionu i liczby leptonowe

Podsumujmy nasze rozumowanie. Aby liczba elektronowa i mionowa pozostawały zachowane w rozpadach z udziałem neutrin, neutrina muszą być obdarzone niezerowymi wartościami tych liczb. W rozpadzie beta pojawia się neutrino o liczbie elektronowej równej -1, zaś w rozpadzie pionu neutrino o liczbie mionowej równej -1. Przy rozpadzie mionu zaś mamy do czynienia z dwoma neutrinami, jednym o liczbie elektronowej -1, zaś drugim o liczbie mionowej +1. Mamy więc dwa różne obiekty, dwa różne neutrina. Jedno o niezerowej liczbie elektronowej, drugie zaś o niezerowej liczbie mionowej. Pierwsze z tych neutrin nazwane zostało neutrinem elektronowym (gdyż przenosi "elektronowatość"), zaś drugie neutrinem mionowym (bo przenosi "mionowatość"). Ponadto neutrina danego rodzaju mogą występować w dwu postaciach - jako cząstka i jako anty-cząstka. Neutrinu mionowemu przypisujemy liczbę mionową +1, anty-neutrinu mionowemu odpowiada zaś liczba -1 (zgodnie ze stwierdzeniem podanym wcześniej, mówiącym, że anty-cząstka ma wszystkie cechy przeciwne w stosunku do cząstki). Neutrinu elektronowemu przypisujemy liczbę elektronową +1, a anty-neutrinu elektronowemu liczbę elektronową -1. I w ten sposób doszliśmy do poprawnego opisu rozpadów. Otóż rozpad beta to rozpad neutronu na proton, elektron i anty-neutrino elektronowe, pion rozpada się na mion i anty-neutrino mionowe, zaś mion na elektron, anty-neutrino elektronowe i neutrino mionowe.

Rozpad pionu i mionu

Teoria o dwóch odmianach neutrin, elektronowej i mionowej, mimo swojej niewątpliwej symetrii pozostawała jedynie teorią, aż do eksperymentalnego odkrycia neutrin mionowych. Eksperyment został przeprowadzony przez Melvina Schwartza, Leona Ledermana i Jacka Steinbergera na początku lat 60-tych. W eksperymencie wykorzystana została wiązka protonów z akceleratora (maszyny, która dzięki polu elektromagnetycznemu przyśpiesza naładowane cząstki materii), która zderzała się z tarczą wykonaną z berylu. W wyniku zderzeń powstawały różne cząstki wtórne, z których większość stanowiły piony. Piony następnie kierowane były w tzw. tunel rozpadowy o długości około 20 metrów. W tunelu tym następowały rozpady pionów na miony i neutrina. Tunel kończył się 14-metrową stalową ścianą, która była w stanie zatrzymać wszystkie naładowane cząstki - miony powstałe w rozpadzie i piony, które nie zdążyły się rozpaść, a także wszystkie inne przypadkowo wyprodukowane w reakcji cząstki. Jedynymi obiektami, które mogły przejść przez ścianę, były neutrina. Za ścianą ustawiona została aluminiowa tarcza, która stanowiła jednocześnie pomysłowy detektor. Tarcza podzielona była na 90 rozsuniętych płyt. Pomiędzy kolejnymi płytami przyłożone zostało wysokie napięcie. W przypadku gdyby neutrinu, które dociera do detektora, udało się oddziałać z jedną z płyt, powstała w reakcji naładowana cząstka elementarna przeszłaby przez resztę płyt powodując jonizację gazu znajdującego się pomiędzy nimi. Jonizacja natomiast umożliwiłaby przeskoki iskier między sąsiednimi płytami w miejscu, gdzie przeszła owa naładowana cząstka elementarna.

Odkrycie neutrina mionowego

Przeskoki iskier mogłyby zostać sfotografowane i tor lotu cząstki uwieczniony na kliszy. Schwartz, Lederman i Steinberger chcieli w eksperymencie sprawdzić dwie hipotezy. Zgodnie z pierwszą neutrina istnieją tylko w jednym, uniwersalnym gatunku. Wtedy wewnątrz detektora neutrina oddziaływałyby produkując podobną liczbę mionów co elektronów. Zgodnie z drugą hipotezą zakładającą istnienie dwu gatunków neutrin, neutrina powstające w rozpadzie pionu byłyby typu mionowego, czyli przenosiły liczbę mionową. Takie neutrina oddziałując z detektorem mogłyby produkować tylko miony. Produkcja elektronów byłaby zabroniona, gdyż neutrino mionowe ma zerową liczbę elektronową. Jeśli w eksperymencie zobaczylibyśmy w detektorze zarówno miony, jak i elektrony, teoria dwu rodzin musiałaby znaleźć się w koszu (lub być znacznie zmodyfikowana). Jeśli pojawiłyby się tylko miony, oznaczałoby to potwierdzenie powyższej teorii. No dobrze, ale jak odróżnić tor mionu od toru elektronu? Elektrony, jako że są znacznie lżejsze od mionów, dość szybko w oddziaływaniu z otoczeniem tracą energię. Łatwo też jest w takim oddziaływaniu zmienić tor ich ruchu. Miony natomiast będąc cięższymi tracą energię znacznie mniej chętnie i trudno jest zmienić trajektorię ich ruchu. Jeśli więc w reakcji pojawia się tor nieregularny, "połamany" przez kolejne oddziaływania z materią ośrodka, to należy on najprawdopodobniej do elektronu. Jeśli zaś mamy do czynienia z torem prostym, to pochodzi on od mionu.

Eksperyment dwu-neutrinowy

Jaki był wynik eksperymentu? Zaobserwowano 29 śladów na pewno należących do mionów i zaledwie kilka śladów, które mogły należeć do elektronów. Te kilka elektronowych śladów zgodne było z przewidywaniami na ilość reakcji związanych z zanieczyszczeniami pochodzącymi z różnych źródeł, np. z rejestrowanymi przypadkami promieniowania kosmicznego. Istnienie dwu rodzajów neutrin zostało potwierdzone, a oddziaływanie neutrin mionowych zaobserwowane.