Trzy neutrina?

Jeśli trzy, to dlaczego nie cztery, i więcej. Okazuje się, że w przyrodzie istnieją dokładnie trzy lekkie rodzaje neutrin - elektronowe, mionowe i taonowe. Dowodu na to dostarczyły wyniki eksperymentów prowadzonych przy największym z wybudowanych dotychczas akceleratorów cząstek, nazywanym LEP. Dowód ten polega na badaniu rozpadów cząstki przenoszącej oddziaływania słabe tzw. bozonu Z0, który wyglądałby nieco inaczej dla innej niż trzy liczby lekkich neutrin.


Trzy generacje leptonów: elektron + neutrino elektronowe, mion + neutrino mionowe, taon + neutrino taonowe. Czy to na pewno już wszystkie generacje? A może będzie tak, że fizycy co kilka, kilkanaście lat będą odkrywać kolejną generację leptonów...

Z każdym oddziaływaniem w przyrodzie stowarzyszona jest cząstka przenosząca to oddziaływanie. Oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszą fotony, oddziaływanie silne jądrowe (które wiążą kwarki w protonie i neutronie) przenoszą gluony. Oddziaływanie słabe jądrowe, które odpowiedzialne jest za rozpad cząstek elementarnych, przenoszone jest przez trzy różne tzw. bozony pośredniczące: cząstki W+, W-, Z0. I tak na przykład rozpad neutronu na proton (rozpad beta) nie następuje tak naprawdę w sposób, w jaki zapisywaliśmy to do tej pory (neutron rozpada się na proton, elekton i anty-neutrino elektronowe). W latach 60-tych i 70-tych fizycy zrozumieli, że rozpad ten musi zachodzić w dwu krokach: w pierwszym kroku neutron rozpada się na proton i cząstkę W-, w drugim kroku cząstka W- rozpada się na elektron i anty-neutrino.

Rozpad beta z bozonem pośredniczącym W

Bozony W+, W-, Z0 w przeciwieństwie do fotonów i gluonów są cząstkami obdarzonymi masą i masa ta jest naprawdę duża - rzędu 90 mas protonu. Pośrednim przejawem istnienia bozonów są rozpady promieniotwórcze. Bezpośrednie ich wytworzenie wymaga natomiast zgromadzenia olbrzymiej energii w małej objętości, tak aby energia ta mogła zostać zamieniona zgodnie z równoważnością masy i energii na olbrzymią masę tych cząstek. Aby zgromadzić odpowiednio dużą energię w odpowiednio małym obszarze, trzeba doprowadzić do zderzenia bardzo szybkich znanych cząstek elementarnych (np. elektronów, protonów) nadlatujących z przeciwnych kierunków. Aby wytworzyć tak szybkie cząstki, trzeba je przyśpieszyć przy pomocy odpowiedniej maszyny (akceleratora). Akcelerator o wystarczającej mocy powstał na początku lat 80-tych w ośrodku CERN pod Genewą. W 1983 roku dokonano odkrycia cząstek Z0. W 1989 roku w tymże ośrodku uruchomiony został kolejny akcelerator o nazwie LEP. Zoptymalizowany on został pod kątem badania własności cząstek Z0. Nazwany on został wręcz fabryką bozonów Z0.

Akcelerator LEP w CERN

Co własności Z0 mogą nam powiedzieć o liczbie generacji leptonów? Otóż bozon ten jest niestabilny i może rozpadać się na znane nam cząstki materii. W szczególności może rozpadać się na leptony, w tym na neutrina. Okazuje się, że czas życia rozpadającej się cząstki jest tym krótszy, im więcej kombinacji cząstek, na które może się ona rozpadać. Im więcej istnieje w przyrodzie rodzajów neutrin, tym więcej kombinacji cząstek, na które może rozpadać się Z0. Mierząc średni czas życia Z0 można więc dokładnie zmierzyć liczbę rodzajów neutrin i w ten sposób wyznaczyć liczbę generacji leptonów. Pomiar czasu życia Z0 nie jest prosty. Obiekt ten rozpada się bardzo szybko po powstaniu. Bezpośredni pomiar owego czasu jest więc niemożliwy. Na szczęścia z pomocą fizykom przychodzą prawa mechaniki kwantowej. Jedna z jej podstawowych zasad, zwana zasadą nieoznaczoności Heisenberga, mówi, że im krótszy czas życia obiektu mikroświata, tym gorzej jest określona jego masa. I nie chodzi tu o pomiar masy! Zgodnie z zasadą nieoznaczoności krótko żyjąca cząstka nie charakteryzuje się po prostu jedną konkretną masą. Im krótszy czas życia cząstki, tym "rozmycie" jej masy jest większe. Fizykom badającym bozon Z0 produkowany w akceleratorze LEP udało się z wielką dokładnością wyznaczyć rozmycie jego masy, a tym samym wyznaczyć średni czas życia. Okazało się, że czas ten zgodny jest z hipotezą istnienia trzech gatunków neutrin, a tym samym trzech generacji leptonów - elektronowej, mionowej i taonowej.

Eksperymentalne potwierdzenie hipotezy trzech neutrin

Na pytanie: czy wiemy ile rodzajów neutrin jest w przyrodzie, odpowiedź jest twierdząca. Istnieją trzy rodzaje neutrin. Nie więcej i nie mniej. O ile oczywiście nie pojawiają się jakieś dziwne neutrina, które byłyby cięższe od bozonu Z0. Cząstka Z0 może się rozpadać oczywiście tylko na lżejsze od siebie cząstki, więc takie masywne neutrina nie miałyby wpływu na jej czas życia. Jednak skoro trzy znane rodzaje neutrin mają masy zbliżone do zera, trudno zakładać, że inne, nieznane neutrina miałyby masę wielokrotnie większą od masy protonu.


Czy wiesz, że...

Niedawno pojawiły się teorie przewidujące istnienie super-masywnych partnerów znanych nam lekkich neutrin. Teorie te wprowadzają owe obiekty, aby wytłumaczyć dlaczego znane nam neutrina mają niezerową, niewielką masę. Oczywiście owe ciężkie neutrina nie mogłyby wpływać na rozpad cząstek Z0, bo ich masa byłaby znacznie większa niż masa owego bozonu pośredniczącego.


Więcej na ten temat:

› Bozony pośredniczące
› Strona CERN-u
› LEP - podstawowe dane