Odkrycie neutrin

Na poniższych stronach na scenę odkryć naukowych wkroczy neutrino. Obiekt przewidziany w pierwszej połowie XX wieku przez Wolfganga Pauliego doczekał się swojego doświadczalnego potwierdzenia dopiero dwadzieścia lat później. Eksperyment, który potwierdził istnienie owej ulotnej cząstki, został przeprowadzony przez Frederica Reinesa i Clyde'a Cowana. Niedługo nowe odkrycia, dokonane najpierw w laboratoriach Brookhaven, a następnie SLAC, skomplikowały obraz neutrina. Odkryto bowiem dwa nowe rodzaje neutrin. Zapraszamy do zapoznania się z opowieścią o gorącym, pełnym ekscytujących odkryć etapie rozwoju fizyki neutrin, gdy koncepcja neutrina rodziła się i dojrzewała.

Teoria neutrina

Na początku lat 30-tych Wolfgang Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki materii. Cząstka ta emitowana byłaby razem z elektronem w czasie rozpadu beta neutronu. Nazwana została neutrinem. Jej pojawienie się w rozpadzie beta ratowałoby zasadę zachowania energii - rozpad byłby trzyciałowy, a nie dwu, jak zakładano wcześniej. Neutrino, zgodnie z przewidywaniami Pauliego, miało zerową lub bliską zeru masę i spin połówkowy (tak samo jak elektron). Wkrótce Enrico Fermi opisał rozpady beta równaniami matematycznymi i stwierdził, że neutrino wprowadzone przez Pauliego nie będzie praktycznie oddziaływać z materią. Teoria Fermiego, zwana teorią oddziaływań słabych, przetrwała bez konieczności zmian następne 20 lat.


W poprzednich rozdziałach dowiedziałeś się o odkryciu rozpadu beta jądra atomowego. W rozpadzie tym jądro atomowe wyrzuca z siebie elektron i zamienia się w inne jądro atomowe, które zawiera o jeden proton więcej w swoim wnętrzu. Powiedzieliśmy też, że na początku lat 30-tych naukowcy stworzyli model rozpadu beta, zgodnie z którym rozpad ten polega na przemianie jednego z neutronów zawartych w jądrze atomowym w proton oraz elektron. Zgodnie z tym modelem całkowity ładunek elektryczny układu jest zachowany. Niestety doświadczenie pokazało, że elektrony emitowane w rozpadzie beta nie mają jednej ustalonej energii, co nie mogło być wytłumaczone zgodnie z przyjętym powyżej modelem i zasadą zachowania energii. Albo więc zasada zachowania, sprawdzona w wielu eksperymentach przez kolejne pokolenia fizyków, była niewłaściwa w przypadku rozpadu beta, albo nasz model nie był słuszny.

Wolfgang Pauli

Na początku lat 30-tych pojawiło się błyskotliwe rozwiązanie wszystkich problemów związanych z rozpadem beta. Rozwiązanie to zostało zaproponowane przez Wolfganga Pauliego i polegało na dodaniu do modelu dodatkowej, neutralnej cząstki. Zgodnie z nowym modelem rozpad beta polegać miał na przemianie jądra pierwotnego w jądro pochodne, w czasie której następuje emisja elektronu oraz pewnej nowej cząstki (zwanej w dzisiejszej nomenklaturze anty-neutrinem, my jednak na razie cząstkę tę będziemy nazywać po prostu neutrinem). To proste rozwiązanie tłumaczy doskonale problem ciągłego spektrum energii elektronów. Teraz bowiem zasada zachowania energii mówi co następuje: energia spoczynkowa jądra rozpadającego się musi być równa sumie energii spoczynkowych jądra powstałego, elektronu i neutrina plus energia kinetyczna elektronu, plus energia kinetyczna neutrina (pomijamy tu znikomą energię kinetyczną, którą posiada na końcu reakcji jądro). Wszystkie energie spoczynkowe, jako że uzależnione tylko od masy danej cząstki, muszą być w rozpadzie stałe. Aby zasada zachowania energii pozostawała spełniona, stała musi być również suma energii kinetycznych powstałego neutrina i elektronu. W modelu tym nie ma jednak wymagania na stałość energii kinetycznej samego elektronu!!! Jeśli rejestrujemy elektron o mniejszej energii, to znaczy to, że więcej energii zostało uniesione przez neutrino, i odwrotnie - obserwując elektron o większej energii wiemy, że mniej energii zostało zabrane przez neutrino.

Rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino

W modelu Pauliego można rozróżnić dwa przypadki graniczne. W pierwszym z nich powstaje elektron, który po zajściu reakcji pozostaje w spoczynku, czyli jego energia kinetyczna wynosi zero. W tym przypadku suma energii kinetycznych składa się z jednego niezerowego członu - członu odpowiadającego energii kinetycznej neutrina. W drugim skrajnym przypadku to neutrino po reakcji nie ma żadnej energii kinetycznej, a cała energia ruchu przenoszona jest przez uciekający elektron. W tym przypadku elektron obdarzony jest maksymalna dostępną dla przemiany energią. Jak powiedzieliśmy wcześniej, część energii w rozpadzie zamienia się w energię spoczynkową neutrina, a więc w jego masę. Masy tej nie znamy. Znając spektrum energetyczne elektronu możemy jednak ją wyznaczyć, zauważając fakt, że im neutrino lżejsze, tym więcej energii zamieniane jest na energię kinetyczną obu emitowanych cząstek. Rozpatrując skrajny przypadek, w którym cała energia kinetyczna jest zabierana przez elektron, można posługując się równaniem opisującym prawo zachowania energii wyznaczyć masę neutrina. Aby rozpatrzyć ów skrajny przypadek, konieczne jest zarejestrowanie najwyżej energetycznych elektronów pojawiających się w rozpadzie. Niestety pomiar taki nie jest prosty, gdyż elektrony pochodzące z obszaru odpowiadającego krańcowi spektrum pojawiają się w rozpadzie bardzo rzadko. Im bliżej krańca, tym rzadziej. Dodatkowo pojawia się komplikacja spowodowana oddziaływaniem elektrycznym pomiędzy jądrem a wyemitowanym elektronem. Próby bezpośredniego pomiaru masy neutrina były dokonywane wielokrotnie. Zaowocowały stwierdzeniem, że masa neutrina jest bardzo mała, a wręcz może być równa zeru! Jeśli byłaby to prawda i neutrino nie posiadałoby masy, to byłby to ewenement w świecie cząstek materii. Jako że problem masy neutrina jest obecnie jednym z najważniejszych zagadnień związanych z fizyką cząstek, poświęcimy mu osobny dział strony zatytułowany: "Masowe, czy nieważkie?".

Rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino

Wprowadzenie neutrin do teorii rozwiązuje również drugi problem związany z rozpadem beta - problem łamania zasady zachowania momentu pędu. W obrazie Pauliego bowiem neutron rozpada się na trzy cząstki - proton, elektron i neutrino. Neutron, proton i elektron mają spin połówkowy. Logiczne było więc założenie, iż neutrino, jako cząstka materii, również powinno być obdarzone takim samym spinem (dziś dzięki pomiarom wiemy, że tak rzeczywiście jest). Po rozpadzie dysponujemy więc trzema cząstkami o spinie połówkowym i możemy kierunki ich wirowania poustawiać tak, aby wypadkowa wartość wirowania była równa wirowaniu neutronu przed rozpadem. Możemy na przykład mieć do czynienia z rozpadem, w którym neutron wirował zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, tak samo wirują po rozpadzie proton i elektron, neutrino zaś wiruje w stronę przeciwną. Okazało się, że wprowadzając dodatkową neutralną cząstkę do opisu rozpadu beta pozbywamy się problemu z zasadami zachowania, które na szczęście obowiązują i w tym procesie.

Mają masę, cze nie?

Jakie cechy ma neutrino wprowadzone przez Pauliego? Po pierwsze jest cząstką neutralną (musi tak być, aby zasada zachowania ładunku w rozpadach beta była spełniona). Jako cząstka neutralna nie oddziałuje elektromagnetycznie z otoczeniem. Po drugie ma spin połówkowy (o czym powiedzieliśmy wyżej). Po trzecie ma masę bardzo bliską zeru. Po czwarte nie oddziałuje z materią jądrową za pośrednictwem sił silnych jądrowych (w innym przypadku nie mogłaby tak łatwo opuścić w czasie rozpadu beta jądra atomowego). Jeśli więc nie oddziałuje ani elektrycznie, ani silnie z materią, to czy w ogóle może mieć jakikolwiek wpływ na otoczenie? Okazuje się, że wpływ taki może mieć. Samo powstanie neutrina w czasie rozpadu jest już wywarciem pewnego wpływu. Pojęcie wywoływania wpływu można utożsamić z pojęciem oddziaływania. A skoro nie jest to oddziaływanie elektromagnetyczne ani też silne jądrowe, musi to być jakiś nowy rodzaj oddziaływania. Rozumowanie to doprowadziło nas do wprowadzenia pojęcia oddziaływania słabego, które póki co będzie przez nas rozumiane jako oddziaływanie pomiędzy neutrinem a innymi cząstkami materii (choć okazuje się, że wszystkie cząstki materii mogą ze sobą oddziaływać za pomocą tego oddziaływania).


Czy wiesz, że...

Wolfgang Pauli wprowadzając neutrina do fizyki oryginalnie nazwał je neutronami. Niedługo po postawieniu hipotezy przez Pauliego James Chadwick odkrył neutralne składniki jądra atomowego o masie porównywalnej z masą protonów. To one właśnie przejęły nazwę zaproponowaną przez Pauliego. Nazwa neutrina pojawiła się niedługo później...


Więcej na ten temat:

› Zasady zachowania
› Odkrycie neutrina

Odkrycie neutrina

W latach 40-tych skonstruowano pierwszy reaktor jądrowy. Okazało się, że procesy w nim zachodzące są wyjątkowo wydajnym źródłem anty-neutrin. W 1954 roku dwu amerykańskich fizyków Frederic Reines i Clyde Cowan postanowiło wykorzystać reaktor do przeprowadzenia pierwszej bezpośredniej obserwacji neutrin. Eksperyment, który przygotowali, bazował na tzw. odwrotnej przemianie beta, w której lecące anty-neutrino oddziałuje z protonem ośrodka produkując neutron i anty-elektron. Anty-elektron oddziałuje z jednym z elektronów zawartych w detektorze i w procesie anihilacji daje błysk światła. Neutron natomiast jest wyłapywany przez jądro atomowe ośrodka. W tym procesie również powstaje błysk światła. Reines i Cowan poszukiwali właśnie takich dwukrotnych rozbłysków. Eksperyment zakończył się sukcesem, efekty związane z oddziaływaniem anty-neutrina zostały zaobserwowane.


Na poprzedniej stronie wprowadziliśmy do teorii opisującej rozpad beta nową cząstkę - neutrino. Każda teoria w fizyce wymaga jednak eksperymentalnego potwierdzenia. Jak potwierdzić istnienie neutrina? Wydaje się to być bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Przecież raz stworzone w czasie rozpadu neutrino nie będzie oddziaływać elektromagnetycznie ani silnie jądrowo z materią detektora. Przy próbie detekcji neutrina trzeba zdać się na owo tajemnicze oddziaływanie słabe. Należy zadać pytanie, czy skoro neutrino rodzi się dzięki temu oddziaływaniu, to czy nie może ono wpływać na otaczającą je materię również za pośrednictwem tegoż oddziaływania? Pytanie takie zadali Hans Bethe i Rudolf Peierls w połowie lat 30-tych. Odpowiedzią zaś był tzw. odwrotny rozpad beta. W chemii często mamy do czynienia z reakcjami odwracalnymi, w których substraty możemy zastąpić produktami, a produkty substratami. W świecie cząstek powinien być możliwy podobny mechanizm. Skoro zachodzi rozpad beta, w którym neutron zamienia się w proton, elektron i neutrino, to być może możliwy jest proces odwrotny, w którym lecące neutrino oddziałuje z protonem zawartym w jądrze atomu, a w wyniku oddziaływania powstaje neutron oraz pozyton (anty-elektron), który opuszcza jądro atomowe. Proces ten spełniał wszystkie znane zasady zachowania, więc nie ma powodów, aby nie zachodził!

Rozpad beta i odwrotny rozpad beta

Mniej więcej w tym samym czasie, co rozważania Bethego i Peierlsa, Enrico Fermi, posługując się relatywistyczną mechaniką kwantową jako fundamentem, zapisał równania, które pozwalały na przewidywanie własności reakcji wywołanych oddziaływaniem słabym. Równania te, pomimo że oparte na dość ogólnych rozważaniach, które nie wnikały w naturę oddziaływania słabego, pozwalały dokładnie odtworzyć spektrum elektronów produkowanych w rozpadzie beta. Ponadto równanie można było zastosować do reakcji odwrotnego rozpadu beta i przewidzieć w ten sposób prawdopodobieństwo jego zajścia. Okazało się, że jest ono wyjątkowo małe. Neutrino powstające w procesie rozpadu beta może przeniknąć przez zbiornik wodny o długości około 1000 lat świetlnych, zanim zostanie zaabsorbowane w odwrotnym rozpadzie beta!!! W latach 30-tych eksperyment, w którym udałoby się wykryć odwrotny rozpad beta, wydawał się nie do przeprowadzenia. Pauli zaczynał żałować, że wprowadził do fizyki obiekt, którego najprawdopodobniej nigdy nie uda się wykryć...

Na szczęście w fizyce okres "nigdy" trwa zazwyczaj nie dłużej niż 20 lat. W tym wypadku było podobnie.

Pierwszy reaktor nuklearny zbudowany w Chicago w 1942 roku

II wojna światowa dla większości fizyków pracujących w USA minęła na pracy nad rozszczepieniem uranu. Najpierw w 1942 roku uruchomiono pierwszy reaktor jądrowy na uniwersytecie w Chicago, później w 1945 skonstruowano pierwszą bombę jądrową. Nowe pokolenie fizyków wychowane na projekcie Manhattan po zakończeniu wojny szukało dla siebie nowej pracy, pracy, w której wykorzystają zdobyte przez siebie wojenne doświadczenie i jednocześnie przysłużą się rozwojowi, a nie zagładzie ludzkości. Wśród tych fizyków był Fred Reines i Clyde Cowan. Ich współpraca zaowocować miała odkryciem poltergeista cząstek elementarnych - neutrina. Uczeni ci zdali sobie sprawę, że produkty powstające w czasie procesu rozszczepienia uranu są wyjątkowo wydajnym źródłem neutrin, rozpadają się bowiem bardzo szybko w procesach beta. Źródło to jest o wiele rzędów wielkości wydajniejsze niż naturalne izotopy promieniotwórcze, którymi dysponowali naukowcy w latach 30-tych. Bomba atomowa lub reaktor jądrowy o dużej mocy wydawały się wręcz idealnymi narzędziami, które mogły posłużyć do wykrycia neutrin. Reines i Cowan po długich rozważaniach i wstępnych pomiarach, które dawały dwuznaczny wynik, postanowili posłużyć się reaktorem w Savannah River w Południowej Karolinie jako źródłem neutrin. Detekcja ich miała natomiast opierać się na obserwacji przewidzianego 20 lat wcześniej odwrotnego rozpadu beta. Był rok 1955...

Reines i Cowan przy swoim pierwszym detektorze

Jak zarejestrować odwrotny rozpad beta? Przypomnijmy, że w procesie tym neutrino oddziałuje z protonem zamieniając go w neutron, przy czym następuje jednoczesna produkcja pozytonu (anty-elektronu). Jeśli reakcja zachodzi w ośrodku materialnym, a nie w próżni, to pozyton opuszczający obszar reakcji napotyka dość szybko na któryś z elektronów ośrodka. Następuje anihilacja. W czasie anihilacji para cząstka - anty-cząstka zamieniana jest na dwie cząstki światła (fotony), które biegną w kierunkach niemalże przeciwnych. Podstawową oznaką zajścia odwrotnego procesu beta jest więc pojawienie się dwóch rozbiegających się fotonów (błysków światła). Reines i Cowan w swoim doświadczeniu postanowili skorzystać ze zbiornika (a właściwie kilku) wypełnionego wodą. Odwrotny proces beta polegałby więc na zamianie jednego z protonów zawartych w wodzie na neutron. Neutron taki w wyniku oddziaływania zyskiwałby pewną energię kinetyczną i mógłby swobodnie poruszać się w ośrodku. Swoboda ta byłaby ograniczona jednak poprzez atomy ośrodka, z którymi zderzałby się w czasie ruchu, zmniejszając za każdym zderzeniem swoją energię. W końcu neutron stałby się bardzo powolny. A powolne neutrony mają tendencję do bycia absorbowanymi przez jądra atomów ośrodka. W wyniku absorpcji powstaje nowe jądro atomowe, które zazwyczaj jest w tzw. stanie wzbudzonym, czyli zawiera pewną dodatkową porcję energii, która jest emitowana z jądra w postaci cząstek światła (fotonów promieniowania gamma). Reines i Cowan dodali do wody chlorek kadmu, który zapewniał wydajną absorpcję neutronów. Obliczyli, że od momentu zajścia odwrotnej reakcji beta do momentu spowolnienia uwolnionego neutronu, jego absorpcji i emisji fotonów gamma przez powstałe jądro mija okres około 15 mikrosekund. W wyniku reakcji pojawiałyby się dwa fotony rozbiegające się w przeciwnych kierunkach pochodzące z anihilacji pozytonu oraz po upływie około 15 mikrosekund dodatkowe fotony wytworzone w procesie wychwytu neutronu przez jądro atomowe. Aby odkryć neutrina, trzeba więc zarejestrować fotony pojawiające się w wyniku reakcji. Aby to zrobić, zbiorniki wodne zostały otoczone detektorami zbudowanymi z substancji scyntylacyjnej. W wyniku przejścia przez nie wysokoenergetycznych fotonów powstałych w wodzie substancja ta zaczynała świecić. Świecenie było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy umieszczonych na jej brzegach.

Zasada eksperymentu Reinesa i Cowana

Tak przygotowany detektor został umieszczony około 10 metrów od rdzenia reaktora, od którego oddzielała go osłona zatrzymująca wszystkie cząstki materii prócz nieuchwytnych neutrin. Dodatkowo nad detektorem znajdowała się specjalna kilkunastometrowa osłona redukująca wpływ promieniowania kosmicznego, które stanowić mogło istotne tło dla badanego procesu. Eksperyment trwał ponad rok, po którym Frederic Reines i Clyde Cowan oznajmili, że ponad wszelką wątpliwość zaobserwowali błyski światła odpowiadające odwrotnemu procesowi beta, który musiał być indukowany przez neutrina pochodzące z reaktora. Cząstka, której istnienie zostało zapostulowane 20 lat wcześniej przez Wolfganga Pauliego, ostatecznie została odnaleziona.

Eksperyment Reinesa i Cowana

Przypomnijmy tu jeszcze raz konwencję, której się trzymamy - w wyniku rozpadu beta zgodnie z dzisiejszą nomenklaturą powstaje cząstka zwana anty-neutrinem. Również anty-neutrino zostało tak naprawdę zaobserwowane przez Reinesa i Cowana. Jednak w momencie dokonywania odkrycia cząstkę tę nazywano po prostu neutrinem. Jako że nie omówiliśmy jeszcze sposobu odróżnienia neutrina od anty-neutrina, póki co określamy oba te obiekty nazwą "neutrino".

Sprawa mionu

Do górnych warstw atmosfery ziemskiej dochodzi tzw. promieniowanie kosmiczne. Promieniowanie to jest poruszającymi się z olbrzymimi prędkościami cząstkami elementarnymi i jądrami atomowymi pochodzącymi z przestrzeni kosmicznej. Cząstki te oddziałują z atmosferą powodując pojawianie się tzw. cząstek wtórnych. Wśród owych cząstek wtórnych fizycy w latach 30 i 40-stych odkryli liczne nowe, nieznane wcześniej cząstki materii - m.in. anty-elektrony, miony i piony. Mion to cząstka bardzo podobna do elektronu, ale znacznie od niego cięższa. Jest nietrwała, po krótkiej chwili rozpada się na elektron oraz dwa neutralne obiekty, które zostały zidentyfikowane jako neutrina. Pion, który jest ważnym obiektem biorącym udział w wiązaniu neutronów i protonów w jądrze atomowym, również jest nietrwały. Rozpada on się na mion oraz jedno neutrino.


Wróćmy jeszcze na początek wieku XX-tego, do czasów, gdy naukowcy dopiero zaczynali badać promieniotwórczość. W 1910 roku pewien niemiecki jezuita - ojciec Theodore Wulf - postanowił zmierzyć promieniotwórczość naturalną Ziemi. W tym celu dokonywał pomiaru w różnych odległościach od jej powierzchni. Wulf postanowił wejść na szczyt Wieży Eiffela. Logicznym założeniem było, iż w miarę oddalania się od powierzchni mierzona intensywność promieniowania powinna maleć. Jakież było jego zdziwienie, gdy okazało się, że na szczycie budowli detektor wskazuje wyższą wartość promieniowania niż u jej podstawy. Rok później Victor Hess wykonał podobne pomiary używając balonu wypełnionego detektorami. Ponad wszelką wątpliwość poziom promieniowania rósł wraz z wysokością. Dziś, po stu latach badania tego zjawiska, wiemy, że promieniowanie to powstaje w wyniku zderzeń przylatujących z przestrzeni kosmicznej wysokoenergetycznych cząstek z jądrami atmosfery. Jądra w wyniku zderzenia mogą być rozbijane, a produkty powstające w wyniku rozbicia mogą zderzać się z kolejnymi jądrami. Rozwija się kaskada cząstek wtórnych biegnąca przez atmosferę. Oprócz rozbicia jąder atomowych w wyniku zderzenia i kumulacji dużej energii w małym obszarze przestrzeni mogą wytworzyć się nowe cząstki elementarne (gdyż energia jest związana z masą zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2). W latach 30-tych fizycy zaczęli systematyczne studia owych produktów w celu odnalezienia nowych, nieznanych wcześniej fizyce cząstek elementarnych. W ten sposób dokonano pierwszej obserwacji pozytonu (anty-elektronu) oraz...

Promieniowanie kosmiczne produkujące nowe cząstki w atmosferze

W 1937 roku Carl Anderson i Seth Neddermayer zaobserwowali w zbudowanym przez siebie detektorze ślady cząstek, które przenikały przez ośrodek znacznie łatwiej niż elektrony czy protony. Jednocześnie były obiektami przenoszącymi ładunek elektryczny. Wykazano również, że w czasie przechodzenia przez materię cząstki owe zachowuje się identycznie jak elektron, który jednak obdarzony byłby znacznie większą masą. Jeszcze w tym samym roku Jabez Street i Edward Stevenson oszacowali masę owego obiektu, która okazała się być około 200 razy większa od masy elektronu. Cząstka została nazwana mionem. Wkrótce zaobserwowano rozpady owej cząstki, w wyniku których powstają elektrony.

Rozpad mionu

W 1947 roku Donald Perkins odkrył kolejną nową cząstkę pojawiającą się wśród cząstek kaskady przechodzącej przez atmosferę. Cząstka ta została nazwana pionem. Okazuje się, że spełnia ona bardzo ważna role w procesie scalania protonów i neutronów w jądrze atomowym. Jednak nie ta rola będzie dla nas interesująca. Cechą, która spowodowała, że pion zagościł na niniejszej stronie, jest fakt, iż jest on nieznacznie cięższy od mionu i może się na niego rozpaść.

Rozpad pionu

Mamy więc następujący łańcuch rozpadu: pion rozpada się na mion, który następnie rozpada się na elektron. W obu tych rozpadach oczywiście, jak wszędzie w przyrodzie, powinny obowiązywać prawa zachowania. W szczególności powinien być zachowany pęd i energia. Niestety w obu rozpadach opisanych powyższym łańcuchem wielkości te nie są zachowane! Może więc oprócz cząstek naładowanych w rozpadach pojawiają się także nierejestrowane cząstki neutralne, neutrina. Ale ile jest tych neutrin w każdym z powyższych rozpadów? Czy na przykład pion rozpada się na mion i jedno neutrino, czy może na dwa neutrina? A jak to jest z rozpadem mionu na elektron?

Rozpad pionu

No właśnie, aby odpowiedzieć na pytanie o ilość neutralnych cząstek powstających w rozpadzie, należy znów odwołać się do zasady zachowania energii (wspartej zasadą zachowania pędu). Otóż okazuje się, że jeśli rozpad jest jedynie na dwa ciała, to uwzględniając poprawkę na pęd i energię obiektu rozpadającego się (lub jak kto woli - przechodząc do układu odniesienia, w którym ten obiekt spoczywa) powinniśmy mierzyć w każdym rozpadzie taką samą wartość energii niesioną przez naładowany produkt rozpadu. Innymi słowy, jeśli pion rozpada się na mion i tylko jedno neutrino, to energia mionu powinna być ustalona. Podobnie jeśli mion rozpada się na elektron i tylko jedno neutrino, to energia elektronu powinna być ustalona. Jeśli natomiast w wyniku rozpadu otrzymujemy więcej niż jedno neutrino, to energia naładowanego produktu (mionu lub elektronu) nie będzie ustalona (zupełnie jak przy rozpadach beta, prawda?). I rzeczywiście, okazało się, że energia mionu jest ustalona, a energia elektronu nie! Naukowcy założyli więc, że pion rozpada się na mion oraz jedno neutrino, zaś mion rozpada się na elektron oraz dwa neutrina.

Energia anty-elektronu pochodzącego z rozpadu anty-mionu

Czy jednak neutrina powstające w rozpadach pionu i mionu są identyczne, i czy są identyczne z tymi powstającymi w rozpadach beta neutronu? W latach 50-tych pojawiła się teoria, że neutrina te są różne. Teoria ta oparta była na tzw. problemie z rozpadem fotonowym. Otóż Bruno Pontecorvo, były współpracownik Fermiego, próbował wykryć rozpad mionu na elektron oraz foton. Rozpad taki był dozwolony przez wszystkie prawa zachowania znane w owym czasie. Powinien więc zachodzić. I to zgodnie z przewidywaniami teoretyków powinien występować znacznie częściej niż rozpad mionu na elektron i neutrina. Tymczasem Pontecorvo po długich, bezowocnych poszukiwaniach stwierdził, że rozpad taki, jeśli w ogóle występuje, musi być niezwykle rzadki. Ta niezgodność pomiędzy teorią i doświadczeniem daje się wytłumaczyć, jeśli zapostuluje się istnienie nowego prawa zachowania. Załóżmy, że w przyrodzie obecne są nowe wielkości, które nazwiemy mionowatością oraz elektronowatością. Załóżmy ponadto, że obie te wielkości są zachowane. Zdefiniujmy je następnie przypisując określoną mionowatość i elektronowatość mionowi i elektronowi. I tak mion ma mionowatość równą 1, zaś elektronowatość równą 0. Elektron zaś ma elektronowatość równą 1, zaś mionowatość równą 0. Antycząstki zaś, zgodnie z definicją antycząstek wprowadzoną wcześniej, mają cechy przeciwne do swych odpowiedników w świecie cząstek. I tak anty-mion ma mionowatość równą -1, a anty-elektron elektronowatość równą -1. Zobaczmy jak działają nasze nowo wprowadzone prawa zachowania na prostym przykładzie. Jeśli mamy układ składający się z elektronu i anty-elektronu, to całkowita elektronowatość wynosi 0. Elektron może z anty-elektronem wejść w proces anihilacji, którego efektem jest zamiana obu cząstek w błyski światła (fotony). Oczywiście światło nie ma takiej cechy jak elektronowatość, lub mówiąc inaczej cecha ta przyjmuje dla niego wartość 0. Przed reakcją elektronowatość systemu była 0 i po reakcji równa się ona 0. Podobnie można rozpatrywać anihilacje mionu i anty-mionu. Wprowadźmy teraz określenia stosowane przez fizyków. Fizycy nie mówią elektronowatość, ale "liczba elektronowa", podobnie nie mówią mionowatość, ale "liczba mionowa". I zgodnie z tym, co powiedzieliśmy, obie te liczby są w przyrodzie zachowane.

Niewystępujący rozpad mionu

Każda teoria jest tak dobra, jak mocne i sprawdzalne są jej przewidywania. Co przewiduje teoria liczb elektronowej i mionowej? Otóż przewiduje ona na przykład fakt, że lecący foton (cząstka światła) może zamienić się w parę elektron i anty-elektron. Nie jest zaś możliwa przemiana fotonu w parę elektron i anty-mion. W obu przypadkach na początku liczba elektronowa i mionowa równa się zero, jednak tylko w pierwszym końcowe liczby pozostają zerowe. W drugim przypadku liczba elektronowa wynosi +1 (mamy jeden elektron), natomiast liczba mionowa wynosi -1 (mamy jeden anty-mion). I rzeczywiście pierwsza z opisanych przemian jest obserwowana, zaś drugiej do tej pory nikomu nie udało się znaleźć. Wprowadzenie liczb elektronowej i mionowej wydaje się uzasadnione. A jak to jest z neutrinami?

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.

Taon i trzecie neutrino

W latach 70-tych został odkryty jeszcze cięższy odpowiednik elektronu, zwany taonem. Natychmiast po odkryciu pojawiła się koncepcja, że i z tym obiektem stowarzyszone jest neutrino, nazwane neutrinem taonowym, które przenosi liczbę taonową. Niestety taon ze względu na swą olbrzymią masę jest cząstką bardzo nietrwałą. Badanie jej w eksperymencie jest niezwykle trudne. Podobne trudności pojawiają się przy próbie bezpośredniego wykrycia neutrina taonowego, gdyż neutrino to w oddziaływaniu z materią powinno produkować właśnie taon. Eksperyment, w którym ostatecznie potwierdzono występowanie takich oddziaływań, został przeprowadzony w 2000 roku. Ostatnie z neutrin zostało odkryte.


Na poprzednich stronach dowiedziałeś się, że w przyrodzie istnieją dwa rodzaje elektronopodobnych cząstek - elektron i mion (który ma wszystkie cechy elektronu, ale jest znacznie od niego cięższy). Z każdą z tych cząstek stowarzyszone jest neutrino - z elektronem neutrino elektronowe, z mionem neutrino mionowe. Powiedzieliśmy również, że wszystkie te cząstki mają swoich anty-partnerów w świecie antymaterii. Od pozostałych cząstek materii (jak neutron, czy proton oraz wchodzące w ich skład kwarki) odróżnia je to, że nie oddziałują za pośrednictwem jądrowych sił silnych, toteż nie znajdujemy ich w jądrze atomowym (gdyż tylko te siły są w stanie utrzymać cząstki elementarne wewnątrz jądra). Fizycy wymyślili dwie nazwy, które stosują na określenie obu rodzajów cząstek. Te, które oddziałują silnie, nazwane zostały hadronami, te zaś, które silnie nie oddziałują - leptonami. Elektron, mion i odpowiadające im neutrina są więc leptonami. Co więcej, aby podkreślić różnicę pomiędzy elektronem i jego neutrinem oraz mionem i jego neutrinem, grupa leptonów została podzielona na dwie generacje: generacje pierwszą (elektron i jego neutrino) i generację drugą (mion i jego neutrino). Nasuwa się naturalne pytanie, czy dwie generacje leptonów to wszystkie generacje, czy może jest ich więcej. Pytanie takie postawiła sobie grupa fizyków pracujących na początku lat 70-tych pod przewodnictwem Martina Perla.

Miejsce eksperymentu Perla

Martin Perl był jednym z uczestników eksperymentu mającego na celu dokładne zbadanie cząstek powstających w reakcji zderzenia elektronu z anty-elektronem. Zarówno elektrony i anty-elektrony pochodziły z akceleratora SLAC (mieszczącego się w Stanford w USA). Miejsce zderzenia otoczone zostało podobnymi detektorami, jakich używali Schwartz, Lederman i Steinberg w eksperymencie, w którym udowodnili istnienie neutrina mionowego. Dodatkowo, aby móc odróżniać ładunki powstałych cząstek, detektor umieszczony został w polu magnetycznym (przypomnijmy, że w takim polu tory cząstek naładowanych ulegają zakrzywieniu w lewo lub w prawo, w zależności od tego jakim cząstka obdarzona jest ładunkiem - ujemnym, czy dodatnim).

Eksperyment Mark I

Czego poszukiwał Perl? Otóż nie spodziewał się ujrzeć ślad nowego naładowanego leptonu. Jeśli lepton taki rzeczywiście istnieje, to czas jego życia musi być bardzo krótki. Gdyby ów czas był długi, to lepton ten byłby zaobserwowany już we wcześniejszych eksperymentach. Krótki czas życia nie pozwalałby oddalić się owej cząstce od punktu, w którym się narodziła, gdyż średnio po upływie owego czasu cząstka ta ulegałaby rozpadowi. Detektor, którym dysponował Perl, a który został ochrzczony "Mark I", nie pozwalał na rejestrację torów tak krótkich. Po prostu pierwsze płaszczyzny detekcyjne były oddalone od punktu zderzenia o odległość znacznie większą niż odległość, jaką przed rozpadem mógłby przebyć ów nieznany lepton. Detekcja nie mogła więc polegać na bezpośredniej rekonstrukcji toru. Została więc oparta na poszukiwaniu cząstek, na które ów krótko żyjący lepton powinien się rozpadać. Perl rozumował następująco: skoro mion, lepton z drugiej generacji, rozpada się na elektron - lepton z pierwszej generacji, oraz dwa neutrina - neutrino mionowe i anty-neutrino elektronowe, to hipotetyczny naładowany lepton z trzeciej generacji powinien rozpadać się na mion lub elektron (obie te cząstki są lżejsze od poszukiwanego obiektu, więc rozpady na elektron jak i mion powinny być dopuszczalne). Oczywiście w wyniku rozpadu na elektron powinno pojawić się również anty-neutrino elektronowe, zaś w wyniku rozpadu na mion anty-neutrino mionowe. Dodatkowo zakładając, że dla trzeciej generacji również obowiązuje zasada zachowania pewnej liczby (dla pierwszej generacji jest to liczba elektronowa, dla drugiej generacji mionowa), w wyniku rozpadu powinno zostać wyemitowane neutrino wchodzące w skład trzeciej generacji. Więcej, aby liczba ta była zachowana, w wyniku oddziaływania cząstek pochodzących z akceleratora musi powstać para leptonów naładowanych z trzeciej generacji, tzn. lepton i anty-lepton. Lepton rozpadnie się produkując elektron lub mion, zaś anty-lepton w wyniku rozpadu da anty-elektron lub anty-mion. Wszystkie kombinacje są tu dozwolone tzn. sygnałem wytworzenia pary nowych leptonów będzie obserwacja przez detektor Mark I par cząstek: elektron - anty-elektron, elektron - anty-mion, mion - anty-elektron lub mion - anty-mion. Niestety przypadki, w których pojawiają się leptony z tej samej generacji (elektron - anty-elektron i mion - anty-mion), należy odrzucić, gdyż generacja par cząstka - anty-cząstka zachodzi bardzo często i nie musi mieć nic wspólnego z produkcją nowych ciężkich leptonów. Za to przypadki, w których pojawiają się dwa leptony z różnych rodzin, wydają się być bardzo dobrą sygnaturą produkcji nowego, superciężkiego odpowiednika elektonu. Dodatkowo, w przypadkach takich powinna znikać duża część początkowej energii, która unoszona jest przez uciekające neutrina. Zespół prowadzony przez Perla przeanalizował wielką liczbę zderzeń elektron - anty-elektron. W części z nich pojawiła się sygnatura, która w sposób ewidentny wskazywała na produkcję par superciężkich naładowanych leptonów z trzeciej generacji. Nowy naładowany lepton, nazwany taonem, został odkryty. Odkrycie zostało opublikowane w 1974 roku.

Odręczna notatka Perla

A co z neutrinem taonowym? Czy i ono istnieje? Jeśli w wyniku rozpadu taonu powstaje neutrino taonowe, to dysponując odpowiednio intensywną wiązką owych neutrin powinno dać się zaobserwować reakcję odwrotną, w której neutrino taonowe oddziałuje z elektronem zwykłej materii dając w efekcie taon. Odkrycie takiej reakcji byłoby bezpośrednim dowodem na istnienie neutrina stowarzyszonego z naładowanym leptonem trzeciej generacji.

Eksperyment DONUT

Poszukiwanie powyższej reakcji było przedmiotem eksperymentu o wdzięcznej nazwie DONUT (która jest akronimem ang. "Direct Observation of Nu Tau" czyli "Bezpośrednia Obserwacja Neutrina Taonowego"). Eksperyment polegał na naświetlaniu tarczy wiązką protonów pochodzących z akceleratora laboratorium Fermiego (USA). W wyniku tego naświetlania produkowane były różne ciężkie hadrony (najlżejszymi hadronami są piony i protony, ale fizycy potrafią dziś produkować liczne cięższe hadrony, czyli przypomnijmy, cząstki zawierające w swoim wnętrzu kwarki). Niektóre z tych hadronów mogą następnie rozpadać się na lżejsze obiekty, w tym również na taony. Jeśli w rozpadzie powstaje taon, to musi powstać w nim również anty-neutrino taonowe (aby liczba taonowa była zachowana). Dodatkowo sam taon jest bardzo nietrwały i rozpada się na lżejszy lepton naładowany (elektron bądź mion). W wyniku rozpadu pojawia się neutrino taonowe. Eksperyment DONUT używał bardzo silnej wiązki protonów, dzięki czemu w tarczy produkowanych było bardzo dużo neutrin i anty-neutrin taonowych. Za tarczą umieszczona została gruba osłona mająca na celu absorpcję wszystkich cząstek z wyjątkiem neutrin. Neutrina jako jedyne przenikały przez osłonę i padały na umieszczony za nią blok emulsji jądrowej. Strumień neutrin taonowych padających na emulsję powinien od czasu do czasu spowodować produkcję taonu, który prawie natychmiast powinien rozpaść się na mion (lub elektron).

Schemat pomiaru w eksperymencie DONUT

Emulsja jądrowa to specjalna, czuła emulsja fotograficzna, która pozwala na rejestrację torów naładowanych cząstek przechodzących przez nią. Dokładność emulsji jest tak dobra, że dzięki jej użyciu można zarejestrować nawet tory tak krótko żyjących cząstek jak taony. W eksperymencie poszukiwano właśnie takich krótkich torów, które następnie zamieniały się w długie tory (odpowiadające elektronowi bądź mionowi). W punkcie rozpadu taonu kończył się krótki tor odpowiadający mu, a zaczynał długi, który odchylony był pod niewielkim kątem względem toru krótkiego. To niewielkie odchylenie wynika z faktu emisji w rozpadzie taonu neutrin i zabierania przez nie części energii oraz pędu rozpadającego się układu.

Jeden z 4 przypadków, w których zaobserwowano reakcję z udziałem neutrina taonowego

Eksperyment zakończył się wynikiem pozytywnym. Fizycy analizujący dane znaleźli 4 (!) oddziaływania, w których wyprodukowany został w emulsji taon w oddziaływaniu z neutrinem taonowym. Ostateczny dowód istnienia trzeciego rodzaju neutrina został przedstawiony. Było to w roku 2000.

Trzy neutrina?

Jeśli trzy, to dlaczego nie cztery, i więcej. Okazuje się, że w przyrodzie istnieją dokładnie trzy lekkie rodzaje neutrin - elektronowe, mionowe i taonowe. Dowodu na to dostarczyły wyniki eksperymentów prowadzonych przy największym z wybudowanych dotychczas akceleratorów cząstek, nazywanym LEP. Dowód ten polega na badaniu rozpadów cząstki przenoszącej oddziaływania słabe tzw. bozonu Z0, który wyglądałby nieco inaczej dla innej niż trzy liczby lekkich neutrin.


Trzy generacje leptonów: elektron + neutrino elektronowe, mion + neutrino mionowe, taon + neutrino taonowe. Czy to na pewno już wszystkie generacje? A może będzie tak, że fizycy co kilka, kilkanaście lat będą odkrywać kolejną generację leptonów...

Z każdym oddziaływaniem w przyrodzie stowarzyszona jest cząstka przenosząca to oddziaływanie. Oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszą fotony, oddziaływanie silne jądrowe (które wiążą kwarki w protonie i neutronie) przenoszą gluony. Oddziaływanie słabe jądrowe, które odpowiedzialne jest za rozpad cząstek elementarnych, przenoszone jest przez trzy różne tzw. bozony pośredniczące: cząstki W+, W-, Z0. I tak na przykład rozpad neutronu na proton (rozpad beta) nie następuje tak naprawdę w sposób, w jaki zapisywaliśmy to do tej pory (neutron rozpada się na proton, elekton i anty-neutrino elektronowe). W latach 60-tych i 70-tych fizycy zrozumieli, że rozpad ten musi zachodzić w dwu krokach: w pierwszym kroku neutron rozpada się na proton i cząstkę W-, w drugim kroku cząstka W- rozpada się na elektron i anty-neutrino.

Rozpad beta z bozonem pośredniczącym W

Bozony W+, W-, Z0 w przeciwieństwie do fotonów i gluonów są cząstkami obdarzonymi masą i masa ta jest naprawdę duża - rzędu 90 mas protonu. Pośrednim przejawem istnienia bozonów są rozpady promieniotwórcze. Bezpośrednie ich wytworzenie wymaga natomiast zgromadzenia olbrzymiej energii w małej objętości, tak aby energia ta mogła zostać zamieniona zgodnie z równoważnością masy i energii na olbrzymią masę tych cząstek. Aby zgromadzić odpowiednio dużą energię w odpowiednio małym obszarze, trzeba doprowadzić do zderzenia bardzo szybkich znanych cząstek elementarnych (np. elektronów, protonów) nadlatujących z przeciwnych kierunków. Aby wytworzyć tak szybkie cząstki, trzeba je przyśpieszyć przy pomocy odpowiedniej maszyny (akceleratora). Akcelerator o wystarczającej mocy powstał na początku lat 80-tych w ośrodku CERN pod Genewą. W 1983 roku dokonano odkrycia cząstek Z0. W 1989 roku w tymże ośrodku uruchomiony został kolejny akcelerator o nazwie LEP. Zoptymalizowany on został pod kątem badania własności cząstek Z0. Nazwany on został wręcz fabryką bozonów Z0.

Akcelerator LEP w CERN

Co własności Z0 mogą nam powiedzieć o liczbie generacji leptonów? Otóż bozon ten jest niestabilny i może rozpadać się na znane nam cząstki materii. W szczególności może rozpadać się na leptony, w tym na neutrina. Okazuje się, że czas życia rozpadającej się cząstki jest tym krótszy, im więcej kombinacji cząstek, na które może się ona rozpadać. Im więcej istnieje w przyrodzie rodzajów neutrin, tym więcej kombinacji cząstek, na które może rozpadać się Z0. Mierząc średni czas życia Z0 można więc dokładnie zmierzyć liczbę rodzajów neutrin i w ten sposób wyznaczyć liczbę generacji leptonów. Pomiar czasu życia Z0 nie jest prosty. Obiekt ten rozpada się bardzo szybko po powstaniu. Bezpośredni pomiar owego czasu jest więc niemożliwy. Na szczęścia z pomocą fizykom przychodzą prawa mechaniki kwantowej. Jedna z jej podstawowych zasad, zwana zasadą nieoznaczoności Heisenberga, mówi, że im krótszy czas życia obiektu mikroświata, tym gorzej jest określona jego masa. I nie chodzi tu o pomiar masy! Zgodnie z zasadą nieoznaczoności krótko żyjąca cząstka nie charakteryzuje się po prostu jedną konkretną masą. Im krótszy czas życia cząstki, tym "rozmycie" jej masy jest większe. Fizykom badającym bozon Z0 produkowany w akceleratorze LEP udało się z wielką dokładnością wyznaczyć rozmycie jego masy, a tym samym wyznaczyć średni czas życia. Okazało się, że czas ten zgodny jest z hipotezą istnienia trzech gatunków neutrin, a tym samym trzech generacji leptonów - elektronowej, mionowej i taonowej.

Eksperymentalne potwierdzenie hipotezy trzech neutrin

Na pytanie: czy wiemy ile rodzajów neutrin jest w przyrodzie, odpowiedź jest twierdząca. Istnieją trzy rodzaje neutrin. Nie więcej i nie mniej. O ile oczywiście nie pojawiają się jakieś dziwne neutrina, które byłyby cięższe od bozonu Z0. Cząstka Z0 może się rozpadać oczywiście tylko na lżejsze od siebie cząstki, więc takie masywne neutrina nie miałyby wpływu na jej czas życia. Jednak skoro trzy znane rodzaje neutrin mają masy zbliżone do zera, trudno zakładać, że inne, nieznane neutrina miałyby masę wielokrotnie większą od masy protonu.


Czy wiesz, że...

Niedawno pojawiły się teorie przewidujące istnienie super-masywnych partnerów znanych nam lekkich neutrin. Teorie te wprowadzają owe obiekty, aby wytłumaczyć dlaczego znane nam neutrina mają niezerową, niewielką masę. Oczywiście owe ciężkie neutrina nie mogłyby wpływać na rozpad cząstek Z0, bo ich masa byłaby znacznie większa niż masa owego bozonu pośredniczącego.


Więcej na ten temat:

› Bozony pośredniczące
› Strona CERN-u
› LEP - podstawowe dane