Neutrina w lustrze

Jeśli neutrino jest obiektem bezmasowym, to porusza się z prędkością światła. Neutrino posiada spin, który można sobie wyobrażać jako kręcenie się względem konkretnej osi. W przypadku neutrin poruszających się z prędkością światła oś taka wyznaczona jest przez kierunek ruchu. Teoretycznie więc możemy mieć do czynienia z dwoma rodzajami neutrin - kręcącym się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara i przeciwnie do niego, względem owej wyróżnionej osi - tzw. neutrina prawo- i lewoskrętne. Pod koniec lat 50-tych przeprowadzono pomiar, w którym wykazano, że neutrina występują jedynie w odmianie lewoskrętnej, zaś anty-neutrina w odmianie prawoskrętnej. Efekt ten nazwano łamaniem parzystości dla neutrin.


Piękno Świata, fizyki i matematyki tkwi w symetrii, którą można w nich znaleźć. Jedną z podstawowych symetrii jest tzw. symetria lewo-prawo. Jeśli kierunki zostaną zamienione o 180 stopni, to świat powinien zachowywać się tak samo. Innymi słowy, świat w lustrze powinien być opisywany przez te same prawa fizyki, co nasz świat. Wszystkie obiekty, które istnieją w naszym świecie, mają swoje odpowiedniki w świecie lustrzanym. Jedynym, wydawałoby się, wyjątkiem od tej zasady są wampiry, które w świecie lustrzanym nie istnieją. Okazuje się, że neutrino jest takim wampirem wśród cząstek elementarnych. W świecie lustrzanym nie istnieje!

Symetria

Neutrino obdarzone jest spinem. Spin można (choć nie jest to do końca poprawne) wyobrażać sobie jako wirowanie względem konkretnej osi. W przypadku neutrin oś taka wyznaczona jest przez kierunek ich ruchu. Jeśli neutrino kręci się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem osi wyznaczonej przez kierunek jego ruchu, neutrino takie nazywać będziemy prawoskrętnym. Jeśli neutrino kręci się w kierunku przeciwnym, lewoskrętnym. Obiekty nie posiadające masy (załóżmy, że neutrino takowej nie posiada) i poruszające się w związku tym z prędkością światła mają ściśle określoną skrętność. Znaczy to tylko tyle, że nie jesteśmy w stanie osiągnąć większej niż ono prędkości, gdyż nie możliwe jest poruszanie się prędzej od światła. Gdyby było inaczej i udałoby się nam osiągnąć prędkość większą niż ma neutrino, to kręciłoby się ono nadal w tym samym kierunku, zaś kierunek jego ruchu względem nas zmieniłby się na przeciwny. W ten sposób z neutrina prawoskrętnego moglibyśmy zrobić neutrino lewoskrętne i na odwrót. W przypadku bezmasowego neutrina taka zamiana nie jest możliwa. Aby zrobić z prawoskrętnego neutrina neutrino lewoskrętne możemy natomiast posłużyć się lustrem. Załóżmy, że nasze neutrino porusza się z dołu do góry. Obrazem lustrzanym takiego neutrina będzie neutrino poruszające się również do góry (lustro nie zmieni kierunku ruchu). W odbiciu lustrzanym neutrino natomiast będzie się kręciło w stronę przeciwną niż w świecie rzeczywistym (można to prosto sprawdzić stając przed lustrem i kręcąc się w danym kierunku, nasz obraz w lustrze będzie kręcił się w kierunku przeciwnym). W ten sposób pokazaliśmy, że lustro zamienia neutrino prawoskrętne w lewoskrętne i odwrotnie.

Odbicie lustrzane kręcącego się neutrina

W 1957 roku Maurice Goldhaber, Lee Grodzins i Andrew Sunyar postanowili zmierzyć, czy emitowane w rozpadach promieniotwórczych neutrina mogą występować w obu skrętnościach. Do pomiarów wybrali próbkę promieniotwórczych jąder pierwiastka o nazwie europ (Eu). Jądro tego pierwiastka jest niestabilne i rozpada się dzięki wyłapywaniu i absorbowaniu elektronu znajdującego się pierwotnie na najbliższej jądru orbicie. W wyniku rozpadu powstaje neutrino elektronowe oraz jądro pierwiastka samaru (Sm), które tuż po rozpadzie jest jądrem wzbudzonym. Jądro to traci swoje wzbudzenie dzięki emisji cząstki światła (fotonu), niedługo po zajściu rozpadu.

Rozpad europu

Rozpatrzmy zasadę zachowania momentu pędu obowiązującą w tym procesie. Jądra europu i samaru mają spin równy zeru (moment pędu równy zero). W stanie wzbudzonym samar ma zaś spin równy jeden (oznaczamy go +1). Elektron absorbowany w czasie rozpadu ma zaś spin równy pół (+1/2). Neutrino musi więc mieć spin przeciwnie skierowany do spinu elektronu (-1/2). Konfiguracja taka zapewnia zachowanie momentu pędu układu. Przed rozpadem układ składa się z jądra europu i elektronu (moment pędu wynosi 0+1/2=+1/2). Po rozpadzie składa się on ze wzbudzonego samaru i wyemitowanego neutrina (moment pędu wynosi +1-1/2=+1/2). Całkowite momenty pędu przed i po rozpadzie wynoszą więc +1/2. Plusy i minusy w powyższym rozważaniu oznaczają kierunki kręcenia się danego obiektu. Widać więc, że powstałe jądro samaru wzbudzonego kręci się w kierunku przeciwnym niż powstałe neutrino. Jednak zgodnie z zasadą zachowania pędu oba obiekty - neutrino i jądro - będą po rozpadzie poruszać się w kierunkach przeciwnych. Jeśli jądro ma przeciwny kierunek kręcenia się i przeciwny kierunek poruszania niż neutrino, to jego skrętność jest taka sama jak neutrina. Jeśli w rozpadzie wyemitowane zostało neutrino lewoskrętne, jądro wzbudzonego samaru jest też lewoskrętne, jeśli wyemitowane zostało neutrino prawoskrętne i jądro samaru jest prawoskrętne. Po krótkiej chwili (rzędu ułamka ułamka sekundy) wzbudzone jądro samaru mające spin +1 zamienia się w jądro nie wzbudzone o spinie równym 0. W czasie tej przemiany emitowany jest foton, który przenosi spin równy +1. Foton może być wyemitowany w dwu kierunkach - albo w kierunku zgodnym z kierunkiem poruszającego się wcześniej jądra wzbudzonego samaru albo w kierunku przeciwnym. Jeśli zostanie on wyemitowany w kierunku zgodnym, to będzie się on oczywiście poruszał w tym samym kierunku, co jądro wzbudzonego samaru. Także kierunek jego wirowania będzie identyczny z kierunkiem wirowania jądra wzbudzonego samaru. Znaczy to tylko tyle, że skrętność wyemitowanego fotonu będzie taka sama jak skrętność rozpadającego się jądra, a ta z kolei jest taka sama jak skrętność wyemitowanego wcześniej neutrina. Gdy kierunek emisji fotonu będzie przeciwny, to jego skrętność również będzie przeciwna. Jeśli udałoby się wybrać tylko te fotony emitowane w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu jądra wzbudzonego samaru, a następnie zmierzyć ich skrętność, to zmierzona zostałaby tym samym skrętność samych neutrina. Jak wykonać ten pomiar?

Produkty rozpadu europu i ich skrętności

Sposób pomiaru dokonanego przez Goldhabera, Grodzinsa i Sunyara był następujący. Naukowcy umieścili próbkę europu wewnątrz żelaznej osłony otoczonej jarzmem elektromagnesu. Po włączeniu elektromagnesu (włączeniu pola magnetycznego) metal osłony został spolaryzowany (spiny znacznej części elektronów w metalu zostały ustawione w konkretnym kierunku). Aby wydostać się na zewnątrz fotony pochodzące z rozpadu substancji promieniotwórczej musiały przebyć przez ową osłonę. Część fotonów była w niej zatrzymywana. Okazuje się, że procent zatrzymanych fotonów w osłonie zależy od wzajemnego ustawienia spinów fotonów oraz elektronów. Jeśli elektrony zostaną spolaryzowane przez zewnętrzne pole magnetyczne w tę samą stronę co fotony, osłona zatrzyma więcej fotonów. Jeśli polaryzacja będzie przeciwna, to zatrzymana ilość będzie mniejsza. Zakładając, że z substancji emitowane są tylko fotony o jednej skrętności, zmieniając polaryzacje osłony i obserwując ilość fotonów w detektorze można ową skrętność wyznaczyć. Jeśli próbkę opuszcza tyle samo fotonów lewo- co prawoskrętnych, detektor na zewnątrz osłony będzie rejestrował taką samą ilość fotonów, niezależnie od przyłożonego pola magnetycznego. Przypomnijmy teraz jeszcze, że interesują nas tylko konkretne fotony, fotony, które zostały wyemitowane z próbki zgodnie z kierunkiem ruchu wzbudzonego samaru. Trzeba je w jakiś sposób wybrać. Naukowcy dokonali tego umieszczając na drodze fotonów, którym udało się przejść przez osłonę, płytę zbudowaną z samaru (identycznej substancji, jaka powstawała w wyniku zachodzącego rozpadu). Samar w płycie mógł absorbować owe fotony wzbudzając się (reakcja odwrotna niż zachodząca w pierwotnej próbce). Z uwagi na zasadę zachowania pędu i energii samar może absorbować jedynie te fotony, które wyemitowane zostały pierwotnie w kierunku, w którym poruszało się wzbudzone jądro. Po krótkiej chwili wzbudzony samar płyty reemituje foton, przechodząc ponownie ze stanu wzbudzonego do normalnego. Kierunek tej emisji jest w zasadzie dowolny. Część z reemitowanych fotonów wysyłanych jest w kierunku detektora, który ukryty został przed pierwotnym strumieniem fotonów pochodzących bezpośrednio z próbki. Płyta samarowa działa więc podobnie do zwierciadła odbijającego w kierunku detektora jedynie te fotony, które zostały wyemitowane z próbki w kierunku zgodnym z ruchem wzbudzonego jądra.

Foton wyemitowany ze wzbudzonego samaru i jego skrętność

Załóżmy, że w wyniku rozpadu promieniotwórczego europu powstaje nadwyżka lewoskrętnych neutrin. Wtedy fotony emitowane zgodnie z kierunkiem ruchu jądra wzbudzonego samaru będą także w większości lewoskrętne. Zmieniając pole magnetyczne, a co za tym idzie polaryzując elektrony w osłonie w przeciwnych kierunkach, przepuszczamy przez nią różną liczbę fotonów. Po przejściu przez osłonę wiązka fotonów pada na płytę samarową, która kieruje do detektora jedynie te fotony, które zostały wyemitowane zgodnie z ruchem wzbudzonego samaru. Zmieniając polaryzację osłony zmienia się ilość mierzonych przez detektor fotonów. Owa zmiana będzie świadczyć o tym, że fotony wyemitowane przez próbkę miały przewagę danej skrętności, a co za tym idzie, że neutrina emitowane w rozpadzie miały taką samą nadwyżkę skrętności.

Układ eksperymentalny

Jaki był wynik eksperymentu? Zespół badaczy wykonał dziewięć serii pomiarowych zmieniając różne detale eksperymentu. Ze wszystkich wynikało, że neutrina emitowane w rozpadzie promieniotwórczym są lewoskrętne. Po wykonaniu wielu podobnych eksperymentów w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat okazało się, że wszystkie neutrina pojawiające się w nich są lewoskrętne. Anty-neutrina okazały się być natomiast prawoskrętne. Nie zaobserwowano neutrin prawoskrętnych i anty-neutrin lewoskrętnych.

Neutrino jest lewoskrętne, a anty-neutrino prawoskrętne

No dobrze, a co z tym wampirem? Weźmy próbkę substancji rozpadającej się w rozpadzie beta, tzn. emitującą prawoskrętne anty-neutrino. Jak będzie przedstawiał się ten proces w lustrze? W lustrze zobaczymy tę samą substancję, która rozpada się w rozpadzie beta, jednak jak już powiedzieliśmy cząstka emitowana będzie lewoskrętna (odbicie w lustrze zmienia skrętność!). Jednocześnie musi to być anty-neutrino (bo wciąż jest to rozpad beta). Ale przecież anty-neutrino lewoskrętne nie istnieje! Świat, który widzimy w lustrze, nie może więc istnieć, być realny. Aby odróżnić świat realny od odbitego możesz więc poprosić o pomoc wampira - świat, w którym nie będzie istniał jego obraz, to odbicie lustrzane. Równie dobrze możesz posłużyć się neutrinem. Świat, w którym neutrino będzie prawoskrętne, to odbicie lustrzane, nie zaś realny świat. Efekt łamania symetrii prawo-lewo nazwano łamaniem parzystości.