Własności neutrin

Własności neutrin były badane od momentu ich pierwszej obserwacji w latach 50-tych. Właściwie nawet przed eksperymentalnym potwierdzeniem ich istnienia fizycy zajmujący się teorią próbowali zamknąć owe ulotne cząstki w równaniach matematycznych i znaleźć wszystkie ich istotne cechy. Na stronach, które proponujemy Ci poniżej, przedstawimy kilka podstawowych cech neutrin. Powiemy między innymi dlaczego neutrino uważane jest za wampira świata cząstek elementarnych, czy prawdopodobieństwo oddziaływania wysokiej energii neutrin z materią rzeczywiście jest większe od stu procent i w jaki sposób można zmierzyć masę neutrina.

Neutrina w lustrze

Jeśli neutrino jest obiektem bezmasowym, to porusza się z prędkością światła. Neutrino posiada spin, który można sobie wyobrażać jako kręcenie się względem konkretnej osi. W przypadku neutrin poruszających się z prędkością światła oś taka wyznaczona jest przez kierunek ruchu. Teoretycznie więc możemy mieć do czynienia z dwoma rodzajami neutrin - kręcącym się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara i przeciwnie do niego, względem owej wyróżnionej osi - tzw. neutrina prawo- i lewoskrętne. Pod koniec lat 50-tych przeprowadzono pomiar, w którym wykazano, że neutrina występują jedynie w odmianie lewoskrętnej, zaś anty-neutrina w odmianie prawoskrętnej. Efekt ten nazwano łamaniem parzystości dla neutrin.


Piękno Świata, fizyki i matematyki tkwi w symetrii, którą można w nich znaleźć. Jedną z podstawowych symetrii jest tzw. symetria lewo-prawo. Jeśli kierunki zostaną zamienione o 180 stopni, to świat powinien zachowywać się tak samo. Innymi słowy, świat w lustrze powinien być opisywany przez te same prawa fizyki, co nasz świat. Wszystkie obiekty, które istnieją w naszym świecie, mają swoje odpowiedniki w świecie lustrzanym. Jedynym, wydawałoby się, wyjątkiem od tej zasady są wampiry, które w świecie lustrzanym nie istnieją. Okazuje się, że neutrino jest takim wampirem wśród cząstek elementarnych. W świecie lustrzanym nie istnieje!

Symetria

Neutrino obdarzone jest spinem. Spin można (choć nie jest to do końca poprawne) wyobrażać sobie jako wirowanie względem konkretnej osi. W przypadku neutrin oś taka wyznaczona jest przez kierunek ich ruchu. Jeśli neutrino kręci się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem osi wyznaczonej przez kierunek jego ruchu, neutrino takie nazywać będziemy prawoskrętnym. Jeśli neutrino kręci się w kierunku przeciwnym, lewoskrętnym. Obiekty nie posiadające masy (załóżmy, że neutrino takowej nie posiada) i poruszające się w związku tym z prędkością światła mają ściśle określoną skrętność. Znaczy to tylko tyle, że nie jesteśmy w stanie osiągnąć większej niż ono prędkości, gdyż nie możliwe jest poruszanie się prędzej od światła. Gdyby było inaczej i udałoby się nam osiągnąć prędkość większą niż ma neutrino, to kręciłoby się ono nadal w tym samym kierunku, zaś kierunek jego ruchu względem nas zmieniłby się na przeciwny. W ten sposób z neutrina prawoskrętnego moglibyśmy zrobić neutrino lewoskrętne i na odwrót. W przypadku bezmasowego neutrina taka zamiana nie jest możliwa. Aby zrobić z prawoskrętnego neutrina neutrino lewoskrętne możemy natomiast posłużyć się lustrem. Załóżmy, że nasze neutrino porusza się z dołu do góry. Obrazem lustrzanym takiego neutrina będzie neutrino poruszające się również do góry (lustro nie zmieni kierunku ruchu). W odbiciu lustrzanym neutrino natomiast będzie się kręciło w stronę przeciwną niż w świecie rzeczywistym (można to prosto sprawdzić stając przed lustrem i kręcąc się w danym kierunku, nasz obraz w lustrze będzie kręcił się w kierunku przeciwnym). W ten sposób pokazaliśmy, że lustro zamienia neutrino prawoskrętne w lewoskrętne i odwrotnie.

Odbicie lustrzane kręcącego się neutrina

W 1957 roku Maurice Goldhaber, Lee Grodzins i Andrew Sunyar postanowili zmierzyć, czy emitowane w rozpadach promieniotwórczych neutrina mogą występować w obu skrętnościach. Do pomiarów wybrali próbkę promieniotwórczych jąder pierwiastka o nazwie europ (Eu). Jądro tego pierwiastka jest niestabilne i rozpada się dzięki wyłapywaniu i absorbowaniu elektronu znajdującego się pierwotnie na najbliższej jądru orbicie. W wyniku rozpadu powstaje neutrino elektronowe oraz jądro pierwiastka samaru (Sm), które tuż po rozpadzie jest jądrem wzbudzonym. Jądro to traci swoje wzbudzenie dzięki emisji cząstki światła (fotonu), niedługo po zajściu rozpadu.

Rozpad europu

Rozpatrzmy zasadę zachowania momentu pędu obowiązującą w tym procesie. Jądra europu i samaru mają spin równy zeru (moment pędu równy zero). W stanie wzbudzonym samar ma zaś spin równy jeden (oznaczamy go +1). Elektron absorbowany w czasie rozpadu ma zaś spin równy pół (+1/2). Neutrino musi więc mieć spin przeciwnie skierowany do spinu elektronu (-1/2). Konfiguracja taka zapewnia zachowanie momentu pędu układu. Przed rozpadem układ składa się z jądra europu i elektronu (moment pędu wynosi 0+1/2=+1/2). Po rozpadzie składa się on ze wzbudzonego samaru i wyemitowanego neutrina (moment pędu wynosi +1-1/2=+1/2). Całkowite momenty pędu przed i po rozpadzie wynoszą więc +1/2. Plusy i minusy w powyższym rozważaniu oznaczają kierunki kręcenia się danego obiektu. Widać więc, że powstałe jądro samaru wzbudzonego kręci się w kierunku przeciwnym niż powstałe neutrino. Jednak zgodnie z zasadą zachowania pędu oba obiekty - neutrino i jądro - będą po rozpadzie poruszać się w kierunkach przeciwnych. Jeśli jądro ma przeciwny kierunek kręcenia się i przeciwny kierunek poruszania niż neutrino, to jego skrętność jest taka sama jak neutrina. Jeśli w rozpadzie wyemitowane zostało neutrino lewoskrętne, jądro wzbudzonego samaru jest też lewoskrętne, jeśli wyemitowane zostało neutrino prawoskrętne i jądro samaru jest prawoskrętne. Po krótkiej chwili (rzędu ułamka ułamka sekundy) wzbudzone jądro samaru mające spin +1 zamienia się w jądro nie wzbudzone o spinie równym 0. W czasie tej przemiany emitowany jest foton, który przenosi spin równy +1. Foton może być wyemitowany w dwu kierunkach - albo w kierunku zgodnym z kierunkiem poruszającego się wcześniej jądra wzbudzonego samaru albo w kierunku przeciwnym. Jeśli zostanie on wyemitowany w kierunku zgodnym, to będzie się on oczywiście poruszał w tym samym kierunku, co jądro wzbudzonego samaru. Także kierunek jego wirowania będzie identyczny z kierunkiem wirowania jądra wzbudzonego samaru. Znaczy to tylko tyle, że skrętność wyemitowanego fotonu będzie taka sama jak skrętność rozpadającego się jądra, a ta z kolei jest taka sama jak skrętność wyemitowanego wcześniej neutrina. Gdy kierunek emisji fotonu będzie przeciwny, to jego skrętność również będzie przeciwna. Jeśli udałoby się wybrać tylko te fotony emitowane w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu jądra wzbudzonego samaru, a następnie zmierzyć ich skrętność, to zmierzona zostałaby tym samym skrętność samych neutrina. Jak wykonać ten pomiar?

Produkty rozpadu europu i ich skrętności

Sposób pomiaru dokonanego przez Goldhabera, Grodzinsa i Sunyara był następujący. Naukowcy umieścili próbkę europu wewnątrz żelaznej osłony otoczonej jarzmem elektromagnesu. Po włączeniu elektromagnesu (włączeniu pola magnetycznego) metal osłony został spolaryzowany (spiny znacznej części elektronów w metalu zostały ustawione w konkretnym kierunku). Aby wydostać się na zewnątrz fotony pochodzące z rozpadu substancji promieniotwórczej musiały przebyć przez ową osłonę. Część fotonów była w niej zatrzymywana. Okazuje się, że procent zatrzymanych fotonów w osłonie zależy od wzajemnego ustawienia spinów fotonów oraz elektronów. Jeśli elektrony zostaną spolaryzowane przez zewnętrzne pole magnetyczne w tę samą stronę co fotony, osłona zatrzyma więcej fotonów. Jeśli polaryzacja będzie przeciwna, to zatrzymana ilość będzie mniejsza. Zakładając, że z substancji emitowane są tylko fotony o jednej skrętności, zmieniając polaryzacje osłony i obserwując ilość fotonów w detektorze można ową skrętność wyznaczyć. Jeśli próbkę opuszcza tyle samo fotonów lewo- co prawoskrętnych, detektor na zewnątrz osłony będzie rejestrował taką samą ilość fotonów, niezależnie od przyłożonego pola magnetycznego. Przypomnijmy teraz jeszcze, że interesują nas tylko konkretne fotony, fotony, które zostały wyemitowane z próbki zgodnie z kierunkiem ruchu wzbudzonego samaru. Trzeba je w jakiś sposób wybrać. Naukowcy dokonali tego umieszczając na drodze fotonów, którym udało się przejść przez osłonę, płytę zbudowaną z samaru (identycznej substancji, jaka powstawała w wyniku zachodzącego rozpadu). Samar w płycie mógł absorbować owe fotony wzbudzając się (reakcja odwrotna niż zachodząca w pierwotnej próbce). Z uwagi na zasadę zachowania pędu i energii samar może absorbować jedynie te fotony, które wyemitowane zostały pierwotnie w kierunku, w którym poruszało się wzbudzone jądro. Po krótkiej chwili wzbudzony samar płyty reemituje foton, przechodząc ponownie ze stanu wzbudzonego do normalnego. Kierunek tej emisji jest w zasadzie dowolny. Część z reemitowanych fotonów wysyłanych jest w kierunku detektora, który ukryty został przed pierwotnym strumieniem fotonów pochodzących bezpośrednio z próbki. Płyta samarowa działa więc podobnie do zwierciadła odbijającego w kierunku detektora jedynie te fotony, które zostały wyemitowane z próbki w kierunku zgodnym z ruchem wzbudzonego jądra.

Foton wyemitowany ze wzbudzonego samaru i jego skrętność

Załóżmy, że w wyniku rozpadu promieniotwórczego europu powstaje nadwyżka lewoskrętnych neutrin. Wtedy fotony emitowane zgodnie z kierunkiem ruchu jądra wzbudzonego samaru będą także w większości lewoskrętne. Zmieniając pole magnetyczne, a co za tym idzie polaryzując elektrony w osłonie w przeciwnych kierunkach, przepuszczamy przez nią różną liczbę fotonów. Po przejściu przez osłonę wiązka fotonów pada na płytę samarową, która kieruje do detektora jedynie te fotony, które zostały wyemitowane zgodnie z ruchem wzbudzonego samaru. Zmieniając polaryzację osłony zmienia się ilość mierzonych przez detektor fotonów. Owa zmiana będzie świadczyć o tym, że fotony wyemitowane przez próbkę miały przewagę danej skrętności, a co za tym idzie, że neutrina emitowane w rozpadzie miały taką samą nadwyżkę skrętności.

Układ eksperymentalny

Jaki był wynik eksperymentu? Zespół badaczy wykonał dziewięć serii pomiarowych zmieniając różne detale eksperymentu. Ze wszystkich wynikało, że neutrina emitowane w rozpadzie promieniotwórczym są lewoskrętne. Po wykonaniu wielu podobnych eksperymentów w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat okazało się, że wszystkie neutrina pojawiające się w nich są lewoskrętne. Anty-neutrina okazały się być natomiast prawoskrętne. Nie zaobserwowano neutrin prawoskrętnych i anty-neutrin lewoskrętnych.

Neutrino jest lewoskrętne, a anty-neutrino prawoskrętne

No dobrze, a co z tym wampirem? Weźmy próbkę substancji rozpadającej się w rozpadzie beta, tzn. emitującą prawoskrętne anty-neutrino. Jak będzie przedstawiał się ten proces w lustrze? W lustrze zobaczymy tę samą substancję, która rozpada się w rozpadzie beta, jednak jak już powiedzieliśmy cząstka emitowana będzie lewoskrętna (odbicie w lustrze zmienia skrętność!). Jednocześnie musi to być anty-neutrino (bo wciąż jest to rozpad beta). Ale przecież anty-neutrino lewoskrętne nie istnieje! Świat, który widzimy w lustrze, nie może więc istnieć, być realny. Aby odróżnić świat realny od odbitego możesz więc poprosić o pomoc wampira - świat, w którym nie będzie istniał jego obraz, to odbicie lustrzane. Równie dobrze możesz posłużyć się neutrinem. Świat, w którym neutrino będzie prawoskrętne, to odbicie lustrzane, nie zaś realny świat. Efekt łamania symetrii prawo-lewo nazwano łamaniem parzystości.

Majorana czy Dirac?

Jeśli neutrino występuje w odmianie zawsze lewoskrętnej, zaś anty-neutrino prawoskrętnej, to czy uzasadnione jest wprowadzanie dwu różnych obiektów tzn. neutrina i anty-neutrina? Może jest tylko jedna cząstka - neutrino, występująca w dwu odmianach lewo- i prawoskrętnej? Hipoteza ta nazywa się hipotezą Majorany. W teorii Diraca zaś neutrino rzeczywiście różni się od anty-neutrina. Są to dwie odrębne cząstki. Okazuje się, że odpowiedź na pytanie, czy neutrino jest obiektem opisywanym przez teorię Majorany, czy Diraca, jest możliwa w przypadku, w którym neutrina posiadają niezerową masę. W takim przypadku bowiem istnieje niewielkie prawdopodobieństwo zmiany obiektu prawoskrętnego w lewoskrętny i odwrotnie. Oczywiście materia nie może zamienić się na anty-materię. Doświadczenia próbujące potwierdzić prawdziwość teorii Majorany wciąż trwają.


W latach 30-stych Dirac zapisał równanie, które łączyło mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności. Z równania tego wynikało między innymi, że każda cząstka materii ma swojego partnera w postaci anty-cząstki. Ujemnemu elektronowi odpowiada dodatni anty-elektron (zwany pozytonem), dodatniemu protonowi odpowiada ujemny anty-proton itd. Również obojętne elektrycznie neutrino powinno mieć swojego obojętnego partnera w postaci anty-neutrina. W 1937 roku Ettore Majorana zauważył, że spójność teorii zostanie zachowana, jeśli utożsami się neutrino z anty-neutrinem, tzn. że neutrino i anty-neutrino to ta sama cząstka. Założenie takie redukuje ilość cząstek występujących w przyrodzie, jest więc założeniem upraszczającym, a każde uproszczenie obrazu świata fizycznego jest godne rozważenia.

Neutrina Diraca i Majorany

Mówiąc o odkryciu neutrina powiedzieliśmy, że wykorzystano do niego tzw. odwrotny rozpad beta. Proces ten zachodzi w wyniku absorpcji diracowskiego anty-neutrina. Anty-neutrino to jest wcześniej wyemitowane w wyniku rozpadu beta następującego w reaktorze jądrowym. Jeśli hipoteza Majorany byłaby prawdziwa to ustawiony koło reaktora inny detektor, rejestrujący nie anty-neutrina lecz neutrina również notowałby zachodzące w nim zdarzenia produkowane przez absorpcję neutrin. Neutrino byłoby bowiem tym samym obiektem co anty-neutrino. Eksperyment taki został przeprowadzony przez Raymonda Davisa. Polegał on na umieszczeniu obok reaktora zbiornika z substancją zawierającą chlor. Chlor ma zdolność absorpcji neutrin. Po absorpcji jądro chloru zamienia się w jądro radioaktywnego argonu. Stosując metody fizykochemiczne można zmierzyć ilość wyprodukowanych jąder argonu w zbiorniku. Davis jednak nie zaobserwował produkcji argonu w swoim doświadczeniu. Najwyraźniej anty-neutrino nie jest tożsame z neutrinem, o ile...

Eksperyment Davisa

Po odkryciu łamania parzystości idea Majorany powróciła. Możliwe przecież jest, że neutrina i anty-neutrina można utożsamić, a za obserwowane efekty odpowiada ich skrętność. Załóżmy, że Majorana miał rację i istnieje tylko jedna cząstka - neutrino. Jednak neutrino to występowałoby wtedy w dwu odmianach - prawo- i lewoskrętnej. Być może w rozpadzie beta powstają tylko i wyłącznie neutrina prawoskrętne, które nie mogą być absorbowane przez chlor, gdyż chlor może tylko i wyłącznie absorbować neutrina lewoskrętne!

Czy prawdziwa jest koncepcja Diraca, zakładająca istnienie neutrina oraz anty-neutrina, czy koncepcja Majorany, która zakłada istnienie jednej cząstki - neutrina? Mogłoby się wydawać, iż problem jest nie do rozstrzygnięcia. Gdy założymy zerową masę neutrin, cząstki te będą poruszać się z prędkością światła, a co za tym idzie, gdy przy narodzinach nadana zostanie im konkretna skrętność, będą ją miały już zawsze. Pamiętajmy, że cząstka poruszająca się z prędkością światła nie zmieni nigdy swojej skrętności. Możemy więc zdefiniować neutrino jako obiekt lewoskrętny, zaś anty-neutrino jako obiekt prawoskrętny i dostać w ten sposób parę neutrino - anty-neutrino opisane teorią Diraca, lub też stwierdzić, że istnieją dwa odrębne stany tej samej cząstki, lewo- i prawoskrętny, i otrzymać teorię Majorany. Teorie wydają się więc nie do rozróżnienia, a problem jest czysto akademicki.

Jak wyglądałaby sytuacja w przypadku, gdyby neutrino posiadało pewną masę? W tym przypadku nie mogłoby się ono oczywiście poruszać z prędkością światła. Okazuje się, że wtedy istnieje pewne małe prawdopodobieństwo na przejście jednej skrętności w drugą. Załóżmy, że neutrino jest cząstką Majorany, i powróćmy na chwilę do doświadczenia Davisa. W doświadczeniu tym w reaktorze rodziły się neutrina prawoskrętne (w wyniku rozpadu beta). Cząstki te opuszczały reaktor i trafiały do chlorowego detektora. Aby chlor mógł przemienić się w argon, jego jądro musi zaabsorbować neutrino lewoskrętne. Jak powiedzieliśmy, w przypadku, w którym neutrina mają niezerową masę, istnieje pewne prawdopodobieństwo przejścia neutrina prawoskrętnego (emitowanego przez reaktor) w neutrino lewoskrętne (wymagane przy absorpcji w chlorze). W detektorze powinny więc zachodzić reakcje! Załóżmy teraz, że neutrino jest cząstką Diraca i ma niezerową masę. Wtedy w reaktorze zachodziłaby produkcja prawoskrętnych anty-neutrin. Anty-neutrina te opuszczałyby reaktor i w czasie przechodzenia przez detektor część z nich byłaby nadal prawoskrętna, zaś część lewoskrętna. Jednak w tym przypadku absorpcja anty-neutrin nie byłaby w chlorze możliwa. Chlor bowiem może zaabsorbować tylko i wyłącznie neutrino, nie zaś anty-neutrino!

Eksperyment NEMO

W eksperymencie Davisa nie zaobserwowano żadnych reakcji. Czy oznacza to, że neutrina są cząstkami Diraca? Nie! Prawdopodobieństwo przejścia skrętności jednej w drugą jest tym mniejsze, im mniejsza jest masa neutrina. Ze spektrum energii elektronu w rozpadzie beta wiemy, że masa ta musi być bardzo mała (jeśli nie zerowa). Znaczy to tyle, że gdyby nawet neutrino było cząstką Majorany, to po narodzinach w stanie prawoskrętnym miałoby bardzo małe prawdopodobieństwo przejścia do stanu lewoskrętnego i oddziałania w detektorze Davisa. Eksperyment Davisa rzeczywiście nie miał dużej czułości. Dziś przeprowadza się podobne eksperymenty wykorzystując zamiast reaktora i zbiornika z chlorem bardzo ciekawe zjawisko fizyczne, jakim jest podwójny rozpad beta. Ale o tym nieco później.

Bozony

Teoria oddziaływań słabych opracowana przez Fermiego okazała się niekompletna. W latach 60-tych uległa ona przemianie w tzw. teorię oddziaływań elektrosłabych. W teorii tej oddziaływania słabe (w tym rozpad beta) następowały za pośrednictwem naładowanych cząstek W i neutralnych Z - tzw. bozonów pośredniczących. Neutrino jako obiekt, który czuły jest jedynie na tego rodzaju oddziaływanie, informuje otaczającą materię o swojej obecności wymieniając z nią właśnie owe bozony. Niestety w latach 60-tych nie zaobserwowano jeszcze reakcji, w których oddziaływania przenoszone były za pomocą neutralnych bozonów. Pierwsza ich obserwacja nastąpiła na początku lat 70-tych w ośrodku CERN i była potwierdzeniem teorii opisującej oddziaływania słabe. Same bozony zaobserwowano 10 lat później również w owym ośrodku.


Stworzona przez Enrico Fermiego teoria oddziaływań, w których biorą udział neutrina, miała jeden słaby punkt, który pomimo jej licznych sukcesów dowodził jej niekompletności. Teoria ta opisywała prawdopodobieństwo oddziaływania neutrina z materią. Prawdopodobieństwo to, zgodnie z nią, zależy od energii owego neutrina. Im wyższa energia, tym szansa na oddziaływanie większa. Problem teorii polegał na tym, że przy bardzo wysokich energiach neutrin prawdopodobieństwo oddziaływania z materią stawało się większe od stu procent! No ale przecież prawdopodobieństwo nie może być nigdy większe od stu procent. Samo stwierdzenie, że wynosi ono sto procent znaczy tyle, że oddziaływanie zachodzi zawsze. Nic nie może zachodzić częściej niż zawsze. Nonsens!

Rozpad beta według teorii Fermiego

Fizycy dostrzegali ów problem i byli świadomi, iż teoria Fermiego wymaga radykalnej modyfikacji. Z drugiej strony teoria ta opisywała w doskonały sposób reakcje z udziałem neutrin zachodzące przy niskich energiach. Nowa teoria musiała być z jednej strony zgodna z teorią Fermiego stosowaną w owym niskoenergetycznym obszarze. Z drugiej zaś strony musiała modyfikować teorię Fermiego dla wysokich energii. Okazało się, że teoria, która sprostała obu tym wymaganiom, wprowadziła do fizyki nowe cząstki, zwane bozonami pośredniczącymi. Nie będziemy w tym miejscu omawiać w szczegółach drogi rozumowania i drogi doświadczalnej, które doprowadziły do ukonstytuowania się owej nowej teorii. Przedstawimy natomiast w skrócie jej założenia.

Neutrina biorą udział tylko i wyłącznie w oddziaływaniach słabych. Teoria, która zastąpiła teorię Fermiego, podaje opis tych oddziaływań posługując się pojęciem nośnika oddziaływania. Nośnikiem tym jest pewna cząstka, która rodzi się na początku owego oddziaływania i kończy swój żywot na jego końcu. Dla ustalenia uwagi rozpatrzmy, jak w nowej teorii wygląda rozpad beta neutronu. Do tej pory mówiliśmy, że rozpad ten to rozpad neutronu na proton, elektron i anty-neutrino elektronowe. Przy czym rozpad ten następował w jednym miejscu w przestrzeni. Nowa teoria opisuje rozpad beta w dwu krokach. Na początku neutron zamienia się w proton i w tzw. bozon pośredniczący W-. W drugim kroku bozon W- rozpada się na elektron oraz elektronowe anty-neutrino. Aby w obu rozpadach zachowany był ładunek, bozon W- musi przenosić ładunek ujemny (stąd indeks '-').

Rozpad beta z bozonem pośredniczącym W

Aby pojawienie się owego bozonu w oddziaływaniu nie zmieniało teorii Fermiego przy niskich energiach, jego masa musi być bardzo duża. Jest ona równa około 100 masom samego neutronu. W tym momencie część czytelników strony uzna jej treść za herezje. Jak neutron (o masie protonu) może rozpaść się na proton i bozon W- (którego masa jest tyle razy większa od masy samego protonu). Przecież w rozpadzie takim początkowa masa będzie znacząco mniejsza od końcowej i, zgodnie z zasadą Einsteina równoważności energii i masy, energia końcowa będzie znacznie większa od początkowej. Czyżby proces ten łamał zasadę zachowania energii??? Nie! W mechanice kwantowej, która opisuje oddziaływania cząstek elementarnych, istnieje zasada nieoznaczoności Heisenberga. Pozwala ona na pojawianie się tzw. cząstek wirtualnych, które łamią zasadę zachowania energii, ale na bardzo krótki czas, tak krótki, że fakt złamania owej zasady nie może być zaobserwowany przez zewnętrznego obserwatora. Im cząstka bardziej "łamie" zasadę zachowania, tym czas jej życia musi być krótszy.

Rozpad z wymianą W - diagram Feynmanna

Okazuje się, że czas życia bozonów W- jest, z powodu ich olbrzymiej masy, bardzo bardzo krótki, a powstanie bozonu w pierwszym etapie reakcji i następnie jego rozpad zachodzą prawie w tym samym punkcie w przestrzeni. Nic więc dziwnego, że przy niskich energiach, przy których badane były rozpady beta, proces dało się opisać w jednym kroku, bez odwoływania się do bozonu pośredniczącego. Przy wyższych energiach prędkości powstających bozonów W- są większe i oddziaływania przestają być takie, jakie byłyby gdyby zachodziły w jednym punkcie.

Rozpad z wymianą W

Oprócz cząstki W- istnieje również jej naładowany przeciwnie partner: W+. Cząstka ta pojawia się w przemianie protonu w neutron (która może zachodzić wewnątrz jądra atomowego). W przemianie tej proton zamienia się w neutron emitując bozon W+. Bozon ten rozpada się po chwili na anty-elektron oraz neutrino elektronowe.

Emisja cząstki W dodatniej

Teoria przemian z udziałem bozonów pośredniczących opisuje wszystkie reakcje z udziałem neutrin. I tak np. pion o ładunku ujemnym rozpada się najpierw na bozon W-, który to następnie bozon rozpada się na mion oraz anty-neutrino mionowe. Rozpad mionu polega zaś na przemienieniu się mionu w parę neutrino mionowe oraz bozon W-. Bozon W- rozpada się po chwili na parę elektron i anty-neutrino elektronowe.

Rozpad mionu

Neutrino może oddziaływać z materią również przez wymianę bozonów W. Lecące przez materię neutrino elektronowe może wyemitować bozon W+ zamieniając się w elektron. Bozon ten jest następnie absorbowany przez neutron w materii zamieniając go w proton.

Rozpad pionu

Niedługo po wprowadzeniu bozonów pośredniczących W fizycy zdali sobie sprawę, że aby w sposób spójny opisać oddziaływania słabe i elektromagnetyczne potrzebny jest jeszcze jeden bozon pośredniczący. Cząstka ta nie powinna przenosić ładunku, a jej masa powinna być zbliżona do masy W. Została ona nazwana bozonem Z0. Również on może brać udział w oddziaływaniach neutrin z materią. Oddziaływania za pośrednictwem bozonu Z0 przebiegają np. w następujący sposób. Neutrino przechodzące przez materię emituje Z0 zmieniając kierunek swojego ruchu. Bozon ten absorbowany jest następnie np. przez elektron znajdujący się w materii. Po absorpcji elektron, pierwotnie będący w spoczynku, zaczyna się poruszać. Inną możliwością jest absorpcja bozonu Z0 przez składnik jądra atomowego. W tym wypadku może nastąpić wzbudzenie jądra i emisja z niego pionów.

Oddziaływanie za pomocą prądów neutralnych

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia oddziaływania neutrin za pośrednictwem wymienianych bozonów Z0 (tzw. prądów neutralnych) nastąpiło w 1973 roku w eksperymencie używającym detektora Gargamelle w ośrodku CERN.

Detektor Gargamelle

Na detektor ten padała wiązka neutrin produkowana przy pomocy akceleratora. W detektorze oczywiście nie można było zaobserwować śladów samych neutrin. Jednak co jakiś czas neutrino oddziaływało z ośrodkiem detektora za pośrednictwem bozonów Z0. Bozony te były absorbowane albo przez elektrony, które w wyniku absorpcji zaczynały się poruszać, albo przez jądra atomowe powodując produkcję pionów. Fizycy poszukiwali więc albo elektronów, które bez żadnego widocznego powodu zaczynały się w detektorze poruszać, albo jąder, które nagle zaczynały emitować z siebie piony. Zdarzenia takie rzeczywiście zaobserwowano, co było dowodem na oddziaływania z wymianą bozonu Z0.

Odkrycie prądów neutralnych w CERN