Oscylacje neutrin

Odpowiedzią na problem z brakującymi neutrinami słonecznymi i ze znikającymi neutrinami atmosferycznymi jest teoria oscylujących neutrin. Okazuje się, że neutrina mogą zmieniać swój rodzaj. Neutrino elektronowe na przykład po pewnym czasie może stać się neutrinem mionowym lub taonowym. Oscylacje neutrin opisywane są prawami mechaniki kwantowej. Mogą one następować tylko w przypadku, gdy neutrina obdarzone są masą. Ale nie taką zwykłą masą... Każde z gatunków neutrin obdarzone jest bowiem pewną kombinacją trzech różnych mas. Dziwne, prawda? Jeśli chcesz się dowiedzieć więcej o tym niesamowitym fenomenie świata neutrin, zapoznaj się po prostu z poniższą stroną.


Znamy trzy rodzaje neutrin (tzw. trzy zapachy) - elektronowe, mionowe i taonowe. W wyniku rozpadu beta powstaje neutrino elektronowe (a właściwie anty-elektronowe). W wyniku rozpadu mionu powstaje neutrino mionowe, a w wyniku rozpadu taonu neutrino taonowe.

W latach 60-tych Bruno Pontecorvo zaproponował nową daleko idącą teorię. Zgodnie z nią neutrina mogłyby zmieniać swój zapach. Jak? Otóż Pontecorvo w swoja teorię opiera na mechanice kwantowej i opisywanych przez nią efektach. Nie powtórzymy tu oczywiście pełnego rozumowania uczonego, gdyż wymagałoby to dokładnego poznania podstaw fizyki kwantowej. Podamy je jedynie w przybliżeniu.

Mechanika kwantowa - podręcznik

Pontecorvo założył, że neutrina mają masę. Jednak masa ta nie jest ustalona. Nie, nie chodzi tu o zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Bynajmniej. Pontecorvo i jego następcy zaproponowali istnienie trzech różnych stanów masowych neutrin, które jednak nie są tożsame z trzema ich stanami zapachowymi (elektronowym, mionowym i taonowym). Neutrino elektronowe na przykład składa się w części z pierwszego stanu masowego, w części z drugiego i w części z trzeciego. Podobnie neutrino mionowe i taonowe. Proporcje poszczególnych stanów masowych w poszczególnych stanach zapachowych są różne.

Trzy stany masowe, trzy stany zapachowe

Wyobraźmy sobie, że w pewnym oddziaływaniu rodzi się neutrino elektronowe, które jest mieszanką trzech stanów masowych. Stany te propagują się następnie przez ośrodek niezależnie, a jako że posiadają odmienne masy, to ich prędkości także będą się różnić. Wynika z tego, że w różnych punktach przestrzeni, przez które przelatuje neutrino, proporcje poszczególnych stanów masowych będą różne. W pewnej odległości od punktu powstania neutrinu, które pierwotnie było neutrinem elektronowym, bliżej pod względem mieszanki tworzących je stanów masowych do neutrina mionowego lub taonowego. W mechanice kwantowej posługujemy się pojęciem prawdopodobieństw. Im bardziej neutrino pod względem masowym przypomina neutrino mionowe, tym większe prawdopodobieństwo, że w chwili rejestracji (oddziaływania) zostanie ono rzeczywiście zaobserwowane jako neutrino mionowe. Im mniej neutrino pod względem masowym przypomina neutrino elektronowe, tym mniejsza szansa, że w chwili rejestracji będzie ono faktycznie neutrinem elektronowym. W chwili, gdy mieszanka stanów masowych będzie odpowiadać dokładnie mieszance tworzącej "czyste" neutrino mionowe, prawdopodobieństwo obserwacji stanu mionowego wyniesie sto procent, a jakiegokolwiek innego (elektronowego lub taonowego) wyniesie zero.

Przemiany jednych neutrin w inne

Na bazie opisanego powyżej zjawiska można spróbować rozwiązać problem niedoboru neutrin elektronowych pochodzących ze Słońca. Otóż Standardowy Model Słońca jest słuszny. Eksperyment Homestake zarejestrował za mało neutrin słonecznych, dlatego że był (jest) on czuły jedynie na neutrina typu elektronowego. Jeśli założymy, że część neutrin elektronowych (tylko takie neutrina są produkowane w reakcjach na Słońcu) pokonując drogę Słońce-Ziemia zamienia się, zgodnie z teorią zaproponowaną przez Pontecorvo, w innego rodzaju neutrina (mionowe bądź taonowe), to doświadczenie Homestake powinno rzeczywiście wykrywać niedobór neutrin słonecznych! Eksperyment SuperKamiokande, który potwierdził niedobór neutrin elektronowych pochodzących ze Słońca, także nie jest czuły na neutrina typu mionowego i taonowego. Niestety, aby wykryć neutrino mionowe, czy taonowe, należy zmierzyć mion lub taon (cząstki naładowane), które byłyby produkowana w oddziaływaniu takiego neutrina. Energia neutrin słonecznych jest jednak za niska na to, aby mion lub taon (cząstki znacznie masywniejsze od elektronu) mógły zostać wyprodukowane. Eksperyment SuperKamiokande nie może więc wykrywać neutrin mionowych czy taonowych i ostatecznie potwierdzić hipotezy oscylacji neutrin słonecznych. Zrobił to inny eksperyment mierzący oddziaływania neutrin słonecznych z jądrami deuteru (ciężkiego wodoru), w których to oddziaływaniach jądra te były rozbijane. Eksperymentem tym był eksperyment SNO (opisany dokładnie w dziale poświęconym eksperymentom prowadzonym obecnie). Nie mógł on również mierzyć bezpośrednio neutrin mionowych i taonowych. Był zaś w stanie zarejestrować całkowity strumień neutrin wszystkich rodzajów (elektronowego, mionowego i taonowego) docierających do niego ze Słońca. Okazało się, że strumień ten zgadza się doskonale ze Standardowym Modelem Słońca. Słuszność modelu oraz hipoteza oscylacji neutrin słonecznych zostały ostatecznie potwierdzone.

Wynik eksperymentu SNO potwierdza Standardowy Model Słońca

Drugim pomiarem, który świadczył w sposób bezpośrednim o zachodzeniu procesu oscylacji neutrin, był pomiar atmosferycznych mionowych i elektronowych neutrin dokonany przez eksperyment SuperKamiokande. Przypomnijmy, że do detektora SuperKamiokande dochodziła zgodna z teorią ilość neutrin mionowych z kierunku zenitu i znacznie mniejsza niż przewidywana z kierunku antypodów. Strumień neutrin elektronowych docierający z góry jak i z dołu pozostawał zgodny z przewidywaniami. Grupa fizyków pracująca w zespole SuperKamiokande zinterpretowała tą obserwację jako przejaw zamiany części neutrin mionowych w inny rodzaj neutrina. W tym wypadku znów powinny być to neutrina taonowe, które w eksperymencie nie były rejestrowane. Neutrina mionowe dochodzące z góry nie zdążyły zamienić się w neutrina taonowe, te z antypodów miały na to wystarczająco dużo czasu. Wynik eksperymentu SuperKamiokande był historycznie pierwszym silnym dowodem na zachodzenie przemian jednych neutrin w drugie. Pojawił się on kilka lat wcześniej przed wynikiem eksperymentu SNO, który ostatecznie potwierdził, że to własność neutrin, a nie problem ze Słońcem odpowiedzialny jest za niedobór neutrin elektronowych.

Oscylacje neutrin atmosferycznych

Efekt przemian jednego rodzaju neutrin w inny zwany jest oscylacjami. Oscylacjami dlatego, że przemiana ta jest cykliczna, tzn. neutrina konkretnego typu po jakimś czasie zamieniają się w neutrina innego typu, po czym te neutrina mogą ponownie przeoscylować w neutrina pierwotne. Procentowa ilość neutrin, które przeoscylowały, zależy od odległości od źródła miejsca, w którym dokonujemy pomiaru, energii neutrin, różnic w masach pomiędzy poszczególnymi stanami masowymi, oraz od tzw. kątów mieszania (trzech) (pojawia się jeszcze tutaj jeden dodatkowy parametr odpowiedzialny za łamanie pewnej symetrii oddziaływań, ale o nim nie będziemy mówić). W przypadku Słońca oraz atmosfery nie mamy możliwości zmiany ani energii, ani odległości pomiędzy źródłem a detektorem. Aby dokonać dokładnego pomiaru różnic mas oraz kątów mieszania, trzeba pójść o krok dalej. Należy przeprowadzić eksperymenty używając jako źródeł neutrin akceleratorów. Wiązka neutrin pochodząca z akceleratorów powinna być następnie skierowana na detektor neutrin, a najlepiej na kilka detektorów ustawionych w różnych odległościach od źródła. Dzięki kilku detektorom, które czułe byłyby na więcej niż jeden zapach neutrina, dałoby się w sposób bezpośredni zarejestrować efekty oscylacji. Można byłoby również zmieniać energię produkowanych neutrin regulując wiązkę akceleratora, a następnie badać zależność oscylacji od tej energii. Badania takie doprowadziłyby do dokładnego poznania różnic mas pomiędzy poszczególnymi stanami masowymi oraz wyznaczenia kątów mieszania. Eksperymenty z użyciem akceleratorów obecnie już trwają. W trzech miejscach: w Japonii (gdzie wykorzystuje się detektor SuperKamiokande celując w niego wiązką neutrin z laboratorium akceleratorowego KEK), w USA (gdzie działa detektor MINOS, badający wiązkę neutrin produkowaną przez znajdujący się przeszło 700 kilometrów dalej akcelerator ośrodka Fermilab) oraz w Europie (gdzie rusza właśnie eksperyment w laboratorium Gran Sasso we Włoszech, który mierzy wiązkę neutrin produkowaną przez akcelerator ośrodka CERN znajdującego się w Szwajcarii). Pierwsze wyniki tych eksperymentów potwierdzają oscylacje neutrin. Teraz pora na dokładne pomiary parametrów decydujących o oscylacjach.

Detektor MINOS badający oscylacje neutrin

Oscylacje neutrin dowodzą, że neutrina obdarzone są masą. Gdyby neutrina były obiektami bezmasowymi, żadne oscylacje nie mogłyby zachodzić. Niestety mierząc oscylacje (nawet bardzo dokładnie) nie można wyznaczyć owej masy. Można jedynie podać różnice pomiędzy masami poszczególnych stanów. Dlatego inne eksperymenty (bezpośrednie próby pomiaru masy) są równie istotne jak eksperymenty mierzące oscylacje neutrin.