Teoria neutrina

Na początku lat 30-tych Wolfgang Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki materii. Cząstka ta emitowana byłaby razem z elektronem w czasie rozpadu beta neutronu. Nazwana została neutrinem. Jej pojawienie się w rozpadzie beta ratowałoby zasadę zachowania energii - rozpad byłby trzyciałowy, a nie dwu, jak zakładano wcześniej. Neutrino, zgodnie z przewidywaniami Pauliego, miało zerową lub bliską zeru masę i spin połówkowy (tak samo jak elektron). Wkrótce Enrico Fermi opisał rozpady beta równaniami matematycznymi i stwierdził, że neutrino wprowadzone przez Pauliego nie będzie praktycznie oddziaływać z materią. Teoria Fermiego, zwana teorią oddziaływań słabych, przetrwała bez konieczności zmian następne 20 lat.


W poprzednich rozdziałach dowiedziałeś się o odkryciu rozpadu beta jądra atomowego. W rozpadzie tym jądro atomowe wyrzuca z siebie elektron i zamienia się w inne jądro atomowe, które zawiera o jeden proton więcej w swoim wnętrzu. Powiedzieliśmy też, że na początku lat 30-tych naukowcy stworzyli model rozpadu beta, zgodnie z którym rozpad ten polega na przemianie jednego z neutronów zawartych w jądrze atomowym w proton oraz elektron. Zgodnie z tym modelem całkowity ładunek elektryczny układu jest zachowany. Niestety doświadczenie pokazało, że elektrony emitowane w rozpadzie beta nie mają jednej ustalonej energii, co nie mogło być wytłumaczone zgodnie z przyjętym powyżej modelem i zasadą zachowania energii. Albo więc zasada zachowania, sprawdzona w wielu eksperymentach przez kolejne pokolenia fizyków, była niewłaściwa w przypadku rozpadu beta, albo nasz model nie był słuszny.

Wolfgang Pauli

Na początku lat 30-tych pojawiło się błyskotliwe rozwiązanie wszystkich problemów związanych z rozpadem beta. Rozwiązanie to zostało zaproponowane przez Wolfganga Pauliego i polegało na dodaniu do modelu dodatkowej, neutralnej cząstki. Zgodnie z nowym modelem rozpad beta polegać miał na przemianie jądra pierwotnego w jądro pochodne, w czasie której następuje emisja elektronu oraz pewnej nowej cząstki (zwanej w dzisiejszej nomenklaturze anty-neutrinem, my jednak na razie cząstkę tę będziemy nazywać po prostu neutrinem). To proste rozwiązanie tłumaczy doskonale problem ciągłego spektrum energii elektronów. Teraz bowiem zasada zachowania energii mówi co następuje: energia spoczynkowa jądra rozpadającego się musi być równa sumie energii spoczynkowych jądra powstałego, elektronu i neutrina plus energia kinetyczna elektronu, plus energia kinetyczna neutrina (pomijamy tu znikomą energię kinetyczną, którą posiada na końcu reakcji jądro). Wszystkie energie spoczynkowe, jako że uzależnione tylko od masy danej cząstki, muszą być w rozpadzie stałe. Aby zasada zachowania energii pozostawała spełniona, stała musi być również suma energii kinetycznych powstałego neutrina i elektronu. W modelu tym nie ma jednak wymagania na stałość energii kinetycznej samego elektronu!!! Jeśli rejestrujemy elektron o mniejszej energii, to znaczy to, że więcej energii zostało uniesione przez neutrino, i odwrotnie - obserwując elektron o większej energii wiemy, że mniej energii zostało zabrane przez neutrino.

Rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino

W modelu Pauliego można rozróżnić dwa przypadki graniczne. W pierwszym z nich powstaje elektron, który po zajściu reakcji pozostaje w spoczynku, czyli jego energia kinetyczna wynosi zero. W tym przypadku suma energii kinetycznych składa się z jednego niezerowego członu - członu odpowiadającego energii kinetycznej neutrina. W drugim skrajnym przypadku to neutrino po reakcji nie ma żadnej energii kinetycznej, a cała energia ruchu przenoszona jest przez uciekający elektron. W tym przypadku elektron obdarzony jest maksymalna dostępną dla przemiany energią. Jak powiedzieliśmy wcześniej, część energii w rozpadzie zamienia się w energię spoczynkową neutrina, a więc w jego masę. Masy tej nie znamy. Znając spektrum energetyczne elektronu możemy jednak ją wyznaczyć, zauważając fakt, że im neutrino lżejsze, tym więcej energii zamieniane jest na energię kinetyczną obu emitowanych cząstek. Rozpatrując skrajny przypadek, w którym cała energia kinetyczna jest zabierana przez elektron, można posługując się równaniem opisującym prawo zachowania energii wyznaczyć masę neutrina. Aby rozpatrzyć ów skrajny przypadek, konieczne jest zarejestrowanie najwyżej energetycznych elektronów pojawiających się w rozpadzie. Niestety pomiar taki nie jest prosty, gdyż elektrony pochodzące z obszaru odpowiadającego krańcowi spektrum pojawiają się w rozpadzie bardzo rzadko. Im bliżej krańca, tym rzadziej. Dodatkowo pojawia się komplikacja spowodowana oddziaływaniem elektrycznym pomiędzy jądrem a wyemitowanym elektronem. Próby bezpośredniego pomiaru masy neutrina były dokonywane wielokrotnie. Zaowocowały stwierdzeniem, że masa neutrina jest bardzo mała, a wręcz może być równa zeru! Jeśli byłaby to prawda i neutrino nie posiadałoby masy, to byłby to ewenement w świecie cząstek materii. Jako że problem masy neutrina jest obecnie jednym z najważniejszych zagadnień związanych z fizyką cząstek, poświęcimy mu osobny dział strony zatytułowany: "Masowe, czy nieważkie?".

Rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino

Wprowadzenie neutrin do teorii rozwiązuje również drugi problem związany z rozpadem beta - problem łamania zasady zachowania momentu pędu. W obrazie Pauliego bowiem neutron rozpada się na trzy cząstki - proton, elektron i neutrino. Neutron, proton i elektron mają spin połówkowy. Logiczne było więc założenie, iż neutrino, jako cząstka materii, również powinno być obdarzone takim samym spinem (dziś dzięki pomiarom wiemy, że tak rzeczywiście jest). Po rozpadzie dysponujemy więc trzema cząstkami o spinie połówkowym i możemy kierunki ich wirowania poustawiać tak, aby wypadkowa wartość wirowania była równa wirowaniu neutronu przed rozpadem. Możemy na przykład mieć do czynienia z rozpadem, w którym neutron wirował zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, tak samo wirują po rozpadzie proton i elektron, neutrino zaś wiruje w stronę przeciwną. Okazało się, że wprowadzając dodatkową neutralną cząstkę do opisu rozpadu beta pozbywamy się problemu z zasadami zachowania, które na szczęście obowiązują i w tym procesie.

Mają masę, cze nie?

Jakie cechy ma neutrino wprowadzone przez Pauliego? Po pierwsze jest cząstką neutralną (musi tak być, aby zasada zachowania ładunku w rozpadach beta była spełniona). Jako cząstka neutralna nie oddziałuje elektromagnetycznie z otoczeniem. Po drugie ma spin połówkowy (o czym powiedzieliśmy wyżej). Po trzecie ma masę bardzo bliską zeru. Po czwarte nie oddziałuje z materią jądrową za pośrednictwem sił silnych jądrowych (w innym przypadku nie mogłaby tak łatwo opuścić w czasie rozpadu beta jądra atomowego). Jeśli więc nie oddziałuje ani elektrycznie, ani silnie z materią, to czy w ogóle może mieć jakikolwiek wpływ na otoczenie? Okazuje się, że wpływ taki może mieć. Samo powstanie neutrina w czasie rozpadu jest już wywarciem pewnego wpływu. Pojęcie wywoływania wpływu można utożsamić z pojęciem oddziaływania. A skoro nie jest to oddziaływanie elektromagnetyczne ani też silne jądrowe, musi to być jakiś nowy rodzaj oddziaływania. Rozumowanie to doprowadziło nas do wprowadzenia pojęcia oddziaływania słabego, które póki co będzie przez nas rozumiane jako oddziaływanie pomiędzy neutrinem a innymi cząstkami materii (choć okazuje się, że wszystkie cząstki materii mogą ze sobą oddziaływać za pomocą tego oddziaływania).


Czy wiesz, że...

Wolfgang Pauli wprowadzając neutrina do fizyki oryginalnie nazwał je neutronami. Niedługo po postawieniu hipotezy przez Pauliego James Chadwick odkrył neutralne składniki jądra atomowego o masie porównywalnej z masą protonów. To one właśnie przejęły nazwę zaproponowaną przez Pauliego. Nazwa neutrina pojawiła się niedługo później...


Więcej na ten temat:

› Zasady zachowania
› Odkrycie neutrina