Neutrina - cząska XXI wieku - Fiałkowski.pdf - Filozofia Przyrody - tekno-inez

F OTON 92, Wiosna 2006

Neutrina – cząstki XXI wieku?

Krzysztof Fiałkowski

Instytut Fizyki UJ

Można śmiało powiedzieć, że na przełomie XX i XXI wieku jednymi z najinten-

sywniej badanych obiektów fizycznych są neutrina. Na liście Nagród Nobla

z fizyki w ostatnim dwudziestoleciu aż trzykrotnie znajdujemy prace dotyczące

neutrin: w 1988 roku Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinberger otrzy-

mali nagrodę za wykonany ćwierć wieku wcześniej eksperyment dowodzący ist-

nienia dwu rodzajów neutrin, w 1995 roku po półwieczu nagrodzono „doświad-

czalnego odkrywcę neutrina” – Fredericka Reinesa, a w 2002 roku Raymonda

Davisa i Masatoshi Koshibę badających neutrina, które nadchodzą do nas ze Słoń-

ca i innych źródeł „kosmicznych”. W najważniejszym indeksie prac naukowych

ISI można sprawdzić, że przed dziesięciu laty publikowano rocznie około pięciu-

set prac poświęconych neutrinom, a w 2005 roku opublikowano ich ponad tysiąc

czterysta. Niektóre prace sprzed ośmiu lat zebrały ponad dwa tysiące cytowań. Jak

wytłumaczyć tak niezwykłe zainteresowanie cząstkami, które nie wchodzą

w skład otaczającej nas „zwykłej” materii i oddziałują z nią tak słabo, że wydają

się nie mieć na nią żadnego wpływu?

Po pierwsze, wypada przyznać, że historia badań neutrin jest naprawdę nie-

zwykła 1 . Jest to chyba jedyna cząstka, której „datę urodzin” znamy z dokładnością

do dnia. W dniu 4 grudnia 1930 roku Wolfgang Pauli, wielki fizyk niemiecki (laure-

at Nagrody Nobla, ale za prace niezwiązane z neutrinami), napisał do kolegów

zebranych na posiedzeniu oddziału Towarzystwa Fizycznego sławny list, zaadre-

sowany żartobliwie do „szanownych radioaktywnych pań i panów”. W liście tym

zaproponował, aby wytłumaczyć anomalie obserwowane przy badaniu tzw. roz-

padów beta istnieniem nieznanej dotąd neutralnej cząstki, która powstaje w tych

rozpadach (obok rejestrowanego przez aparaturę elektronu). Cząstkę tę nazwał

zresztą „neutronem” i dopiero w parę lat później, po odkryciu przez Chadwicka

neutralnego partnera protonu wchodzącego w skład jąder atomowych, wielki fizyk

włoski Enrico Fermi zaproponował, aby tej właśnie cząstce nadać nazwę wymy-

śloną przez Pauliego, a „cząstkę Pauliego” nazwać po włosku zdrobniale „neutri-

no”, gdyż dane sugerowały, że jej masa była znacznie mniejsza od mas protonu

i neutronu.

1 Obszerniejsze omówienie historii badań neutrin do 1998 roku zamieściłem w ksią-

żeczce Opowieści o neutrinach , ZamKor, Kraków 1998. Nagrody Nobla za prace dotyczące

neutrin i inne najważniejsze odkrycia z tej dziedziny były już omawiane w Fotonie 60, 66,

69, 74, 79, 82.

F OTON 92, Wiosna 2006

Skoro neutrino miało być obojętne elektrycznie, jego detekcja musiała być

trudniejsza niż rejestracja elektronu, co tłumaczyło dotychczasową „niewidzial-

ność” neutrina. Pauli dopuszczał możliwość, że prawdopodobieństwo oddziały-

wania neutrina z materią jest niewiele mniejsze (np. dziesięć razy) niż dla fotonu

o podobnej energii. Wkrótce jednak inni wybitni fizycy, Bethe i Peierls, oszaco-

wali to prawdopodobieństwo (na podstawie analizy średnich czasów rozpadu beta)

i okazało się, że jest ono o wiele rzędów wielkości mniejsze. Nie tylko cała Zie-

mia, ale nawet Słońce nie stanowi istotnej przeszkody dla neutrin – prawdopodo-

bieństwo oddziaływania pojedynczego neutrina podczas przejścia przez Słońce

jest znacznie mniejsze od ½ (dla neutrin o energiach typowych dla rozpadów beta).

Po zapoznaniu się z obliczeniami Bethego i Peierlsa Pauli oświadczył, że stawia

skrzynkę szampana każdemu, kto zdoła zarejestrować oddziaływanie neutrin.

Zakład wydawał się całkiem bezpieczny, ale już za życia Pauliego oddziaływa-

nie neutrina z materią zostało jednak zaobserwowane. Wytłumaczenie tej pomyłki

fizyka znanego z niezwykłej wręcz intuicji jest dość proste: Pauli nie wiedział, że

jądra atomów ciężkich pierwiastków, takich jak uran lub pluton, ulegają rozszcze-

pieniu po zderzeniu z neutronem. Nie mógł więc przewidzieć, że proces ten może

zachodzić w formie reakcji łańcuchowej, w której podczas każdego kolejnego

rozszczepienia powstaje kilka nowych neutronów zdolnych do zainicjowania

kolejnych rozszczepień. Taki proces zachodzi w bombie atomowej, a w formie

kontrolowanej – w reaktorze jądrowym. Powstają przy tym ogromne ilości jąder

bogatych w neutrony i swobodnych neutronów, które ulegają rozpadom beta,

produkując strumienie neutrin miliony razy silniejsze niż z wszelkich źródeł zna-

nych w 1930 roku. Jeśli nawet prawdopodobieństwo oddziaływania pojedynczego

neutrina w aparaturze jest rzędu jednej bilionowej, z pewnością zarejestrujemy

przynajmniej kilkadziesiąt oddziaływań, gdy przez aparaturę przeleci kilka dzie-

siątków bilionów neutrin!

W rzeczywistości doświadczenie takie jest bardzo trudne, bo reaktor jest

oczywiście potężnym źródłem wielu innych rodzajów promieniowania i odróżnie-

nie oddziaływań neutrin od pozostałych możliwych procesów wymaga bardzo

wyrafinowanych metod eksperymentalnych. Nie będziemy ich tu omawiać; zain-

teresowany czytelnik może znaleźć szczegóły w licznych podręcznikach i książ-

kach popularnych. Wspomniany już Frederick Reines wraz ze swoim współpra-

cownikiem Clyde’em Cowanem (który nie dożył niestety Nagrody Nobla) prowa-

dzili długo takie badania w latach pięćdziesiątych XX wieku i zmuszeni byli do

przeniesienia aparatury z Hanford do innego, potężniejszego reaktora w Savannah

River, zanim osiągnęli sukces. Odkrywcy zawiadomili oczywiście Pauliego o swo-

im triumfie, ale nie dostali nie tylko szampana, ale nawet telegramu z gratulacja-

mi, który Pauli podobno wysłał...

Tymczasem okazało się, że sama natura dostarczyła nam powszechnie do-

stępnego źródła neutrin, oferującego strumienie tych cząstek porównywalne ze

F OTON 92, Wiosna 2006

strumieniami neutrin powstających w reaktorach. Źródłem tym jest Słońce, które

czerpie energię z reakcji jądrowych zachodzących w jego wnętrzu. Podczas tych

reakcji powstają tak ogromne ilości neutrin, że nawet na Ziemi oddalonej

o 150 milionów kilometrów powinna być możliwa ich obserwacja. Przez każdy

centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi (a więc także i naszych ciał) przelatuje

w każdej sekundzie ponad 60 miliardów neutrin pochodzących ze Słońca! Na

szczęście niewiele z nich oddziałuje w naszym ciele nawet w ciągu całego życia.

Rejestracja neutrin „słonecznych” nie jest jednak łatwa. Wspomniany wyżej

Raymond Davis skonstruował także w latach pięćdziesiątych służącą do tego celu

aparaturę, której głównym elementem był umieszczony w starej kopalni Homesta-

ke wielki zbiornik wypełniony czterochlorkiem węgla (tani środek czyszczący).

Neutrina przenikały w głąb Ziemi (pochłaniającej większość innych rodzajów

promieniowania), oddziaływały w zbiorniku z jądrami chloru i zmieniały je

w jądra radioaktywnego izotopu innego pierwiastka – argonu. Co kilka dni prze-

płukiwano zbiornik gazem, który „zbierał” argon, a następnie mierzono liczbę roz-

padów jąder argonu, oceniając w ten sposób liczbę oddziaływań neutrin. Wynik

był zaskakujący – przez niemal pięćdziesiąt lat systematycznie obserwowano

o połowę mniej oddziaływań, niż przewidywała teoria! Wydawało się, że są tylko

dwa możliwe wyjaśnienia: albo aparatura „gubi” przypadki, albo Słońce wysyła

mniej neutrin, niż powinno.

Ostatecznie okazało się jednak, że i analiza eksperymentu, i teoria opisująca

Słońce były poprawne. Nie uwzględniono innego efektu: możliwości przemiany

neutrin powstających w Słońcu w neutrina innego rodzaju. Istnienie dwu rodzajów

neutrin stwierdzono już w latach sześćdziesiątych XX wieku we wspomnianym

wyżej eksperymencie Ledermana, Schwartza i Steinbergera, a trzecie neutrino

odkryto pośrednio w dziesięć lat później (zarejestrowano zaś już w naszym stule-

ciu). Neutrina dwu nowych rodzajów nie mogły inicjować reakcji wykorzystywa-

nej w aparaturze Davisa, co tłumaczyło obserwowany deficyt. Kolejne ekspery-

menty potwierdziły, że neutrina „słoneczne” ulegają w drodze na Ziemię przemia-

nie, a podobny efekt występuje też dla neutrin powstających w atmosferze ziem-

skiej. Wśród tych eksperymentów kluczowym był zainicjowany przez Masatoshi

Koshibę eksperyment Kamiokande, w którym oddziaływania neutrin w podziem-

nym zbiorniku (zawierającym 50 tysięcy ton czystej wody) obserwowano dzięki

rejestracji tzw. promieniowania Czerenkowa, wysyłanego przez cząstki powstają-

ce w tych oddziaływaniach (elektrony i miony).

Efekt przemiany, czyli tzw. oscylacji neutrin, jest efektem kwantowym i jego

analiza wymaga zaawansowanych metod matematycznych. Z praktycznego punk-

tu widzenia bardzo ważne jest, że może on zachodzić tylko dla cząstek o niezero-

wej masie. Tymczasem żadne dotychczasowe doświadczenia nie pozwoliły na

zmierzenie mas neutrin; dostarczały one jedynie górnej granicy, czyli maksymal-

nej możliwej wartości masy zgodnej z danymi. Granica ta obniżała się szybko

F OTON 92, Wiosna 2006

i pod koniec XX wieku wiadomo już było, że neutrino jest setki tysięcy razy „lżej-

sze” od elektronu, cząstki o najmniejszej zmierzonej dotąd masie. Wydawało się

więc naturalne przyjęcie, że neutrino ma masę zerową. Teraz dowiedzieliśmy się,

że nie jest to prawdą! Wymaga to modyfikacji obowiązującego obecnie w fizyce

modelu oddziaływań elementarnych, tzw. modelu standardowego.

Oscylacje neutrin są tak fascynujące, że fizycy postanowili zbadać je na wiąz-

ce kontrolowanej lepiej niż neutrina słoneczne i „atmosferyczne”. Wysłano więc

do detektora eksperymentu Kamiokande wiązkę neutrin z odległego o paręset

kilometrów ośrodka akceleratorowego KEK. Zauważmy, że wiązka taka nie wy-

maga rury próżniowej ani innej „prowadnicy” – ziemia jest praktycznie całkowi-

cie przeźroczysta dla neutrin! Dotychczasowe wstępne wyniki tego eksperymentu

zwanego „K2K” potwierdzają dane z wcześniejszych eksperymentów. Mamy

nadzieję, że kolejny eksperyment, w którym wiązka neutrin z ośrodka CERN pod

Genewą dotrze pod Alpami do odległego o siedemset kilometrów podziemnego

laboratorium Gran Sasso we Włoszech, dostarczy dokładniejszych danych o oscy-

lacjach, pomoże wyznaczyć masy neutrin i teoretycznie wyjaśnić ich wartości.

Przedstawione wyżej fakty nie wyczerpują bogatej listy przyczyn atrakcyjno-

ści fizyki neutrin. Do badania oscylacji neutrin przeprowadzono w Japonii kolejny

F OTON 92, Wiosna 2006

eksperyment, w którym rejestrowano neutrina z wszystkich reaktorów odległych

od detektora o mniej niż tysiąc kilometrów. Łatwo można sobie wyobrazić, że po

precyzyjnym sprawdzeniu teorii oscylacji podobny eksperyment może służyć do

zdalnej kontroli pracy reaktorów. Do stwierdzenia, czy dane państwo przestrzega

zasad pokojowego wykorzystania energii jądrowej, nie będzie już potrzebna in-

spekcja MAEA. W przedstawionym ostatnio projekcie, graniczącym z fantastyką,

proponuje się nawet użycie potężnej wiązki neutrin w celu zdalnego niszczenia

nielegalnych zapasów broni jądrowej.

Innym zastosowaniem tego samego detektora neutrin był przeprowadzony

ostatnio eksperyment, w którym zmierzono radioaktywność wnętrza Ziemi. Wy-

niki sugerują konieczność modyfikacji obowiązujących obecnie modeli naszej

planety; wydaje się, że rozpady jąder ciężkich pierwiastków odegrały w jej ewolu-

cji większą rolę, niż dotąd zakładano. Wielkie nadzieje wiąże się też z nowymi

badaniami neutrin „kosmicznych”, które mogą dostarczyć „obrazu tomograficzne-

go” wnętrza Ziemi, przez którą przenikają równie łatwo jak promienie Rentgena

przez nasze ciało.

ądzimy też, że rola badań neutrin dla zrozumienia procesów zachodzących

w Słońcu jest dopiero pierwszym krokiem nowej gałęzi wiedzy: astrofizyki neu-

trinowej. Badanie neutrin słonecznych było tak cenne, bo wytwarzane w centrum

Słońca fotony doznają w drodze na powierzchnię tylu rozproszeń, że wydostają

się na powierzchnię Słońca średnio dopiero po setkach tysięcy lat, podczas gdy

neutrina przebywają tę drogę w kilka sekund. Nasza wiedza o procesach zacho-

dzących w bardziej egzotycznych obiektach kosmicznych, np. w jądrach galaktyk,

Neutrina - cząska XXI wieku - Fiałkowski.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: