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.