Krótki wstęp

Świat składa się z atomów. Atomy są obiektami złożonymi z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów. Jądro natomiast składa się z neutronów (cząstek neutralnych elektrycznie) i protonów (cząstek o ładunku dodatnim). Protony i neutrony są również obiektami złożonymi składającymi się z kwarków i wiążących je gluonów. Kwarki i elektrony nie mają wewnętrznej struktury i są nazywane cząstkami fundamentalnymi. Dwie inne ważne cząstki fundamentalne to mion i taon - zwane również ciężkimi elektronami. Każda cząstka materii ma odpowiadającą sobie cząstkę antymaterii o tej samej masie, jednak przeciwnych cechach (np. ładunku). Na przykład anty-elektron (zwany pozytonem) ma ładunek dodatni.


Na stronach naszego serwisu przedstawimy historię okrycia i badania jednej z najdziwniejszych i najbardziej tajemniczych cząstek materii, neutrina. Zanim jednak wprowadzimy naszego głównego bohatera na scenę, trzeba opowiedzieć trochę o tle, na jakim główny bohater zagra. A tłem tym jest ogólna wiedza o świecie atomów i cząstek elementarnych, oglądana z dwu perspektyw - naukowca współczesnego i fizyka początku XX wieku, gdy koncepcja neutrina dopiero miała się narodzić.

Planetarny model atomu E. Rutherforda.Planetarny model atomu E. Rutherforda.

Na początek trochę wiedzy szkolnej. Świat składa się z atomów materii. Każdy z atomów złożony jest z jądra atomowego o ładunku dodatnim i z krążących wokół jądra elektronów (właściwie posługując się językiem współczesnego fizyka elektrony owe nie krążą wokół jądra, po prostu gdzieś tam wokół jądra są, jednak bez większego uszczerbku na poprawności możemy wyobrażać sobie elektrony jako krążące po orbitach kuleczki). Elektrony mają ładunek ujemny, sumarycznie równy ładunkowi jądra. Jądro atomowe znajduje się w centrum atomu i jest złożone z dwu rodzajów cząstek: neutronów i protonów. Protony obdarzone są elektrycznym ładunkiem dodatnim, zaś neutrony nie posiadają ładunku. Rodzaje atomów różnią się pomiędzy sobą właśnie ilością protonów, które zawierają ich jądra. Atom wodoru (najprostszy z atomów) ma jądro, którym jest pojedynczy proton. Atom helu natomiast posiada w swoim jądrze dwa protony, zaś atom uranu aż dziewięćdziesiąt dwa. Atomy tego samego pierwiastka mogą zawierać natomiast różną ilość neutronów, na przykład wodór występuje w trzech odmianach: bez, z jednym, lub z dwoma neutronami (najbardziej rozpowszechniona jest odmiana bez-neutronowa). Odmiany tego samego pierwiastka o różnej ilości neutronów nazywają się izotopami.

Jądro atomowe.Jądro atomowe.

Elektrony są cząstkami nie posiadającymi żadnej wewnętrznej struktury (do chwili obecnej takiej struktury nie odkryliśmy). Protony i neutrony zaś mają wewnętrzną strukturę i są obiektami złożonymi. W skład każdego protonu i neutronu wchodzą trzy cząstki - kwarki. Ogólnie w przyrodzie istnieje sześć różnych rodzajów kwarków (o nazwach: górny, dolny, dziwny, powabny, prawdziwy i piękny - ładne nazwy, prawda?). Większość z nich jednak nie wchodzi w skład materii, z którą mamy do czynienia każdego dnia. W skład zwykłej materii wchodzą jedynie kwarki: górny i dolny. I tak proton złożony jest z trzech kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego, zaś neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. Kwarki górne mają ładunek dodatni +2/3 ładunku protonu, zaś kwarki dolne ładunek ujemny -1/3 ładunku protonu. Oprócz kwarków protony i neutrony (nazywane wspólną nazwą nukleony) zawierają w swoim wnętrzu pewną liczbę cząstek o nazwie gluony. Gluony są cząstkami, które działają jak klej (glue to klej w języku angielskim). Ich zadaniem jest związanie ze sobą kwarków. Z zadania tego wywiązują się tak dobrze, że niemożliwe jest wyrwanie pojedynczego kwarku z wnętrza nukleonu, tzn. nie można uzyskać swobodnego, wolnego kwarku. Kwarki zawsze pozostają uwięzione wewnątrz nukleonów (bądź innych, o których jednak nie będziemy mówić, cząstek materii).

Wodór i hel.Wodór i hel.

Podsumujmy teraz nasz (dodajmy słowo "uproszczony") model mikroświata. Świat składa się z atomów, atomy zaś posiadają jądro atomowe i krążące wokół niego elektrony. Jądro atomowe złożone jest z dodatnich protonów i neutralnych neutronów. Obiekty te określamy wspólną nazwą - nukleony. W skład nukleonów wchodzą po trzy kwarki (dwóch typów) oraz gluony wiążące silnie owe kwarki. Kwarki, elektrony i gluony nie posiadają wewnętrznej struktury. Kwarkowa struktura protonu i neutronu.Kwarkowa struktura protonu i neutronu.

Aby nasz obraz nie był zbyt prosty, dodajmy do niego kilka dodatkowych szczegółów, które okażą się istotne w naszych poszukiwaniach neutrin. Elektron ma dwóch braci o nazwach mion oraz taon. Cząstki te posiadają wszystkie cechy elektronu prócz masy. Mion jest około dwustu razy cięższy od elektronu, zaś taon cięższy jest od mionu kolejne 20 razy. Obie cząstki nie występują w przyrodzie w sposób naturalny. Fizycy są jednak w stanie je wyprodukować zderzając znane cząstki (np. protony) przyśpieszone do dużych prędkości. W czasie takiego zderzenia w małej objętości kumulowana jest ogromna energia, a zgodnie z zasadą równoważności energii i masy (sławnym wzorem E=mc2) zgromadzona energia może zamienić się w masę nowych cząstek elementarnych, w tym mionów i taonów. Oba rodzaje cząstek żyją bardzo krótki czas i po ułamku sekundy rozpadają się na zwyczajne elektrony, no i ... Ale o tym procesie dowiesz się dopiero na następnych stronach naszego serwisu.

Zderzenie dwóch protonów - produkcja nowych cząstek.Zderzenie dwóch protonów - produkcja nowych cząstek.

Drugim szczegółem, który dodamy do naszego obrazu, jest istnienie antymaterii. Okazuje się, że każda cząstka materii ma odpowiadającą sobie antycząstkę. Antycząstki nie są, jak niektórym się wydaje, jakimiś wyjątkowo dziwnymi bytami. Mają one po prostu wszystkie liczby kwantowe (sic!) przeciwne do liczb kwantowych odpowiadających im cząstek. Aby zejść na ziemię, zastąpmy określenie "liczby kwantowe" słowem "cechy" i wszystko zaraz stanie się jasne. Na przykład znany nam elektron opisywany jest cechą o nazwie ładunek elektryczny i cecha ta przyjmuje dla niego wartość ujemną -1. Anty-elektron (nazywany również pozytonem) ma zgodnie z tym, co powiedzieliśmy, wszystkie cechy przeciwne, w tym również ładunek, tzn. obdarzony jest ładunkiem dodatnim o wartości +1. Proste, prawda? A co z masą anty-elektronu? Czy jest ona przeciwna do masy elektronu, czyli ujemna? Nie! Masy antycząstek są dokładnie takie same jak masy odpowiadających im cząstek materii. W momencie spotkania cząstki materii z odpowiadającą jej cząstką antymaterii następuje zamiana ich mas w energię. Proces ten nazywa się anihilacją. Wyzwolona energia może opuścić punkt spotkania w formie na przykład światła. Tor pozytonu.Tor pozytonu.

Ostatnią komplikacją, którą dodamy do naszego obrazu mikroświata, są oddziaływania. Znamy cztery rodzaje oddziaływań: grawitacyjne - które dotyczy wszystkich obiektów obdarzonych masą, elektromagnetyczne - które dotyczy obiektów obdarzonych ładunkiem elektrycznym, silne jądrowe - które wiąże ze sobą nukleony w jądrze atomowym oraz wiąże ze sobą kwarki wewnątrz nukleonów, słabe jądrowe - które jest odpowiedzialne za rozpady nietrwałych cząstek, w tym np. za rozpady beta, o których dowiesz się na kolejnej stronie. Oddziaływania są przenoszone również za pomocą cząstek, które nazywane są cząstkami oddziaływania. I tak oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone jest za pośrednictwem fotonów, silne jądrowe przy pomocy opisanych wcześniej gluonów, zaś słabe jądrowe (którym zajmiemy się później) przy pomocy bozonów pośredniczących. Sytuacja nie jest jednak aż tak prosta. Okazuje się bowiem, że mikroświat opisywany jest językiem dualizmu korpuskularno-falowego, tzn. oddziaływania mogą być opisane w języku cząstek pośredniczących, jak i w języku fal. Na przykład oddziaływania elektromagnetyczne opisuje się za pomocą fotonów i za pomocą fal elektromagnetycznych. W niektórych eksperymentach oddziaływania zachowują się jak cząstki, a w innych jak fale. Oddziaływania są więc zarówno cząstkami jak i falami. Dziwne? Tak, ale właśnie taka jest natura mikroświata opisywanego mechaniką kwantową. Zresztą okazuje się, że również zwykłe cząstki materii muszą być opisywane przy użyciu tych dwu języków - korpuskularnego i falowego. Przedstawiony powyżej obraz mikroświata to obraz, jaki powstał po przeszło stu latach badań cząstek elementarnych. Dalej możesz zobaczyć skróconą historię owych badań i lata, w których dokonywano najważniejszych odkryć. Na następnej stronie zaproponujemy Ci podróż w czasie do przełomu XIX i XX wieku, kiedy współczesna fizyka dopiero zaczynała raczkować.