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?