Twoja wyszukiwarka

ANDRZEJ KAJETAN WRÓBLEWSKI
CZY NEUTRINO MA MASĘ?
Wiedza i Życie nr 1/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1996

Na początku 1995 roku wielką sensację wywołało doniesienie z Los Alamoso wynikach przeprowadzonego w tym laboratorium eksperymentu dotyczącegooddziaływań neutrin (patrz: "Sygnały", "WiŻ" nr 7/1995).Dokładniej - w tym eksperymencie chodziło o badanie oddziaływań cząstekpowstających przy rozpadzie pionu.

Przypomnijmy w skrócie, że według naszej obecnej wiedzy istnieją trzy różnegeneracje leptonów: elektronowa, mionowa i taonowa. W każdej generacjimamy lepton naładowany i odpowiednie neutrino, a więc elektron i neutrinoelektronowe, mion i neutrino mionowe oraz taon i neutrino taonowe. Leptonynaładowane mają niezerową masę spoczynkową, natomiast zwykle przyjmujesię, że wszystkie neutrina mają masę spoczynkową równą zeru, chociaż zeksperymentów otrzymuje się tylko górne granice ich masy. Generacje leptonówróżnią się od siebie liczbą leptonową, która może być elektronowa, mionowai taonowa. Tak więc, oba leptony danej generacji mają odpowiednią liczbęleptonową równą +1, a pozostałe liczby leptonowe równe zeru. Dodajmy jeszcze,że każdej generacji leptonów odpowiada właściwa jej generacja antyleptonów- o przeciwnym znaku liczby leptonowej.

Dla przykładu: w pierwszej generacji mamy elektron i neutrino elektronowe(obie cząstki o liczbie leptonowej elektronowej równej +1); pierwsza generacjaantyleptonów to antyelektron (który nazywamy pozytonem) oraz antyneutrinoelektronowe (obie cząstki o liczbie leptonowej równej -1). Różne od leptonówcząstki nie mają liczby leptonowej (można przyjąć, że wynosi ona dla nichzawsze zero). Wyniki wszystkich dotychczas przeprowadzonych doświadczeńprowadzą do uogólnienia jakim jest zasada zachowania liczby leptonowej,która w reakcjach między cząstkami nie może ulegać zmianie.

Tyle streszczenia obecnego stanu wiedzy. Zgodnie z podręcznikami pionybadane przez fizyków z Los Alamos rozpadają się na mion i antyneutrinomionowe (tak jest ze względu na zasadę zachowania liczby leptonowej mionowej,która dla mionu wynosi +1, dla antyneutrina mionowego -1, a więc ich sumawynosi zero, tyle co przed rozpadem pionu). Fizycy z Los Alamos poszukiwaliwśród produktów rozpadu innych cząstek - antyneutrin elektronowych.

Gdyby takie cząstki znaleziono w wiązce pochodzącej z rozpadu pionów, mogłobyto być wynikiem albo pogwałcenia przy tym rozpadzie zasad zachowania liczbleptonowych elektronowej i mionowej, albo przekształcania się w locie antyneutrinmionowych w elektronowe. Pierwszej z tych możliwości nie bierze się poduwagę, natomiast druga mogłaby okazać się prawdziwa pod warunkiem, że neutrina(i antyneutrina) mają niezerową masę spoczynkową, gdyż wtedy mogłyby występowaćtzw. oscylacje, czyli mieszanie się ich typów.

Problem jest bardzo ważny, ponieważ gdyby istotnie neutrina miały choćbyniewielką masę, można by w ten sposób wyjaśnić tzw. brakującą masę we Wszechświecieoraz znaleźć wytłumaczenie dla obserwowanego niedoboru neutrin ze Słońca- oba te problemy od wielu już lat spędzają sen z oczu fizykom i astrofizykom.Ale cena byłaby wysoka, trzeba by bowiem znacznie przebudować podstawyfizyki cząstek.

Fizycy z zespołu LSND (od nazwy Liquid Scintillator Neutrino Detector)podali nieoficjalne wyniki swojego doświadczenia na konferencji prasowejw lutym, utrzymując, że znaleźli wyraźny sygnał pochodzący od antyneutrinelektronowych, i na tej podstawie wywnioskowali, iż masa tego neutrinazawiera się między 0.5 i 5 elektronowoltów.

Z niecierpliwością oczekiwano na oficjalną publikację wyników. Nastąpiłoto dopiero jesienią i przyniosło nie lada sensację. Otóż w tym samym numerze"Physical Review Letters" ukazał się nie tylko "oficjalny" artykułzespołu LSND, w którym podtrzymano wcześniej ogłoszony wniosek, lecz takżeartykuł jednego z członków zespołu, Jamesa Hila z Pennsylvania University,który podał inny wynik. Ten "dysydent" nie zgodził się na umieszczenieswego nazwiska wśród autorów artykułu, ponieważ przeprowadził niezależnąanalizę danych i doszedł do wniosku, że "sygnał" oscylacji neutrinto tylko 5 zarejestrowanych zdarzeń, gdy oczekiwane "tło" od innychprocesów (choćby promieni kosmicznych) powinno wynosić 6 zdarzeń. Krótkomówiąc - żadnego znaczącego sygnału nie było. Reszta zespołu LSND utrzymuje,że obserwowany sygnał to 9 zdarzeń, przy oczekiwanym tle 2, a więc wnioseko istnieniu oscylacji jest statystycznie uzasadniony.

Wypada więc poczekać na dalsze wyniki LSND i innych eksperymentów. Dodajmy,że wszystkie pozostałe eksperymenty przynosiły dotychczas wyniki wykluczająceoscylacje neutrin (a dokładniej: narzucające na ewentualne oscylacje bardzoskrajne granice).

Żaden inny wynik ogłoszony w 1995 roku nie wzbudził tyle sensacji co doniesieniez Los Alamos, ponieważ w pozostałych nie było mowy o podważaniu obecnejfizyki, lecz raczej o potwierdzaniu jej poprawności.

Przypomnijmy więc, że w marcu oba, liczące po kilkuset fizyków, zespołyCDF i D0, prowadzące badania przy akceleratorze Tevatron w Laboratoriumim. Fermiego w Batavii pod Chicago, oddały do publikacji artykuły podsumowująceposzukiwania szóstego kwarka "top". W połowie 1994 roku zespół CDFogłosił o odkryciu kwarka t, natomiast zespół D0 oznajmił o wyniku świadczącymo braku sygnału (patrz: "Szósty kwark", "WiŻ" nr 6/1994, "Topna szczycie", "WiŻ" nr 1/1995).

Po przeanalizowaniu kilkakrotnie większej liczby zderzeń proton-antyprotonniż w 1994 roku, oba zespoły otrzymały znaczący statystycznie sygnał oprodukcji kwarka t w tych oddziaływaniach. Grupa CDF znalazła sygnał 37zdarzeń przy oczekiwanym tle 12, natomiast grupa D0 - sygnał 17 zdarzeńprzy oczekiwanym tle 4. Ten znaczący statystycznie sygnał został przezoba zespoły otrzymany po żmudnej analizie, w której musiano "odfiltrować"poszukiwane zdarzenia z łącznej liczby około 6 bilionów (6 x 1012)zderzeń proton-antyproton zarejestrowanych przez detektory! Tak skomplikowanesą współczesne eksperymenty w fizyce cząstek elementarnych, i dlatego,by je przeprowadzić potrzeba paroletniej pracy kilkusetosobowych zespołów.

Masa kwarka t obliczona przez zespół CDF wynosi 176 +/- 8 GeV, a według D0jest ona równa 199 +/- 20 GeV, przy czym oba przytoczone błędy są statystyczne.Ponadto w pomiarach występują także możliwe błędy systematyczne (np. skalipomiaru masy), które wynoszą 10 GeV dla CDF i 22 GeV dla D0. Tak więc wynikiobu zespołów są, w granicach sporych jeszcze błędów, dobrze zgodne z sobą.

Przypomnijmy, że według obecnego przekonania fizyków kwark t jest już ostatnim,ponieważ istnieją tylko trzy generacje kwarków (podobnie jak trzy generacjeleptonów).

W lipcu wielką sensację wzbudziło doniesienie z Boulder (Colorado), gdziezespół fizyków z Joint Institute for Laboratory Astrophysics pod kierunkiemErica Cornella i Carla Wiemana zdołał uzyskać tzw. kondensację Bosego-Einsteinaw układzie około 2000 atomów rubidu ochłodzonych do temperatury zaledwie170 nanokelwinów. Takie "ultrazimne" atomy można uzyskiwać chłodzącje w przeciwbieżnych wiązkach laserowych (patrz: "Top na szczycie","WiŻ" nr 1/1995).

Zgodnie z mechaniką kwantową atomy, podobnie jak elektrony i inne cząstkielementarne, wykazują właściwości falowe. Długość fali de Broglie'a lBjest odwrotnie proporcjonalna do pędu obiektu, wobec tego dla "ultrachłodnych"atomów, których prędkości są bardzo małe, długość fali może być bardzoduża. W latach dwudziestych fizyk indyjski Satyendra Bose i Albert Einsteinprzewidzieli, że w dostatecznie niskiej temperaturze ta długość fali możeokazać się większa niż zwykłe odległości między atomami. Wtedy to atomytracą swą identyczność, stają się nierozróżnialne - mogą się znaleźć wjednakowym stanie kwantowym.

Dla bozonów (cząstek podległych statystyce Bosego-Einsteina) prawdopodobieństwoznalezienia się w danym stanie kwantowym rośnie wraz z liczbą cząstek jużznajdujących się w tymże stanie. (Inaczej jest dla fermionów, dla którychobowiązuje tzw. zakaz Pauliego i w danym stanie może się znajdować tylkojedna cząstka). Tak więc, kondensacja Bosego-Einsteina powstaje samorzutnie, jeżeli tylko atomy znajdują się dostatecznieblisko siebie - w objętości rzędu lB3.

Kondensacje Bosego-Einsteina były już obserwowane wcześniej, na przykładw zjawiskach nadciekłości helu 4 i nadprzewodnictwa, ale w tych przypadkachwłaściwości makroskopowe układów są zdominowane przez wzajemne oddziaływaniebozonów. W celu lepszego zrozumienia procesu powstawania kondensacji Bosego-Einsteinafizycy z Boulder starali się ją uzyskać w idealnym gazie nieoddziałującychz sobą atomów. W tym celu atomy "ochłodzone" do temperatury 170 nanokelwinówumieszczano w pułapce magnetycznej, która umożliwiała usuwanie z próbkinajszybszych, a więc "najgorętszych" atomów, co powodowało dalsze"schładzanie" układu.

Po wyłączeniu pułapki magnetycznej układ atomów oświetlono bardzo krótkimimpulsem światła laserowego, dzięki czemu, wykorzystując częściowe pochłanianietego światła przez atomy, uzyskano "cień" rozkładu gęstości atomóww badanym układzie. Z analizy uzyskanych zdjęć wywnioskowano, że kondensacjaBosego-Einsteina trwała przez około 15 sekund, przy czym układ około 2000 atomóww tej kondensacji miał temperaturę zaledwie 20 nanokelwinów, najniższą,jaką kiedykolwiek wytworzono.

Wynik fizyków z Boulder to triumf wyrafinowanej techniki eksperymentalnej.Autorom eksperymentu udało się zwyciężyć w wyścigu do otrzymania kondensacjiBosego-Einsteina z zespołami z Amsterdamu, MIT w Cambridge (Massachusetts)i Stanfordu.

Zespół kierowany przez Josepha Jacobsona w Stanford University planujenatomiast otrzymanie "cząsteczki" światła, w której 100 lub więcejfotonów zachowywałoby się jak jeden złożony obiekt (przypomnijmy, że fotonysą też bozonami). Na razie planowana jest konstrukcja odpowiedniego interferometru,ale czerwcowy artykuł Jacobsona i kolegów w "Physical Review Letters"wywołał bardzo duże zainteresowanie.

Z innych osiągnięć 1995 roku warto wspomnieć o "kiloelektronie" otrzymanymw University of Washington w Seattle przez zespół Hansa Dehmelta. Fizykten wyspecjalizował się w eksperymentach z umieszczaniem atomów i innychcząstek w specjalnych pułapkach magnetycznych. Dzięki utrzymywaniu w takiejpułapce pojedynczych elektronów i pozytonów przez całe miesiące, możnabyło wykonywać niezwykle dokładne pomiary ich właściwości. Za te osiągnięciaDehmelt, z pochodzenia Niemiec, otrzymał już w 1989 roku Nagrodę Noblaw dziedzinie fizyki. Tym razem Dehmeltowi udało się zamknąć w pułapce 1000elektronów, które zachowują się jak punktowy obiekt o ładunku tysiąc razywiększym od ładunku pojedynczego elektronu. Ta "kropla" ładunku ujemnego,nazwana przez Dehmelta "kiloelektronem", umożliwi dalsze zwiększeniedokładności pomiarów momentu magnetycznego elektronu.

Eksperymenty z pojedynczymi atomami i cząstkami lub z ich niewielką liczbąstają się coraz powszechniejsze. W marcu zespół fizyków z CERN w Genewiedoniósł o pomiarach tzw. częstości cyklotronowej dla pojedynczego antyprotonuutrzymywanego w specjalnej pułapce. Otrzymany wynik, 45 000 razy dokładniejszyod poprzednich, potwierdza identyczność tej częstości dla protonów i antyprotonówz dokładnością do jednej bilionowej części (tzn. do 10-12).Ma to wielkie znaczenie dla sprawdzania tzw. twierdzenia CPT stanowiącegofundament współczesnej fizyki.

Natomiast grupie fizyków z Harvard University udało się opanować technikęutrzymywania w pułapce powolnych pozytonów, co jest pierwszym krokiem dostworzenia w warunkach laboratoryjnych pierwszego antyatomu. Dalszy krokbędzie polegał na dodaniu do tej samej pułapki powolnych antyprotonów,tak żeby mogło dojść do ich połączenia w atomy antywodoru. Technika utrzymywaniapowolnych antyprotonów jest już opanowana w CERN, gdzie w najbliższym czasieplanuje się wobec tego dalszy ciąg eksperymentu. Zespołowi Theodora Hanschaw Instytucie Maxa Plancka w Monachium udało się już zamknąć w tej samejpułapce jednocześnie elektrony i dodatnio naładowane jony. Tak więc wszystkowydaje się już gotowe do wytworzenia w laboratorium pierwszego antyatomu,co ma nastąpić w 1996 roku.

Z ciekawych wyników, mogących szybko prowadzić do ważnych zastosowań, wartowspomnieć o badaniach materiałów wykazujących właściwość fotostrykcji,tzn. zmiany rozmiarów pod wpływem światła. Kenji Uhcino z Bostonu ogłosiłwyniki swoich badań nad substancją zwaną PLZT (od składających się na nią:ołowiu Pb, lantanu La, cyrkonu Zr i tytanu Ti). Został już wykonany działającymodel "fotofonu", w którym energia światła zostaje bezpośrednio przekształconaw dźwięk.

W 1995 roku uzyskano też pewne wyniki dokładnych pomiarów, które niezbytsą zgodne z przyjmowanymi obecnie teoriami fizycznymi. Pomiary prawdopodobieństwarozpadu bozonu pośredniczącego Z0 na różne pary kwarków wykazująznaczące odchylenia od przewidywań tzw. Modelu Standardowego, akceptowanegoprzez fizyków już od wielu lat. Wielu z nich uważa, że jest to wyraźnyślad "nowej fizyki", na przykład istnienia cząstek "supersymetrycznych".Szansa znalezienia takich cząstek pojawia się wraz ze wzrostem energiiakceleratora LEP w CERN. Już obecnie prowadzi się pomiary przy energii130 GeV, oznacza to wzrost niemal o 50 % w stosunku do dotychczasowych92 GeV.

Innym bulwersującym wynikiem było porównanie bardzo dokładnych pomiarówtzw. przesunięcia Lamba dla wodoru i jonu He+, wyraźnie niezgodnychz elektrodynamiką kwantową. Przesunięcie Lamba to bardzo drobna zmianaenergii elektronu w atomie wskutek oddziaływania z próżnią traktowaną jakosiedlisko cząstek wirtualnych. Elektrodynamika kwantowa jest najdoskonalsząteorią fizyczną, która była zgodna z dotychczasowymi doświadczeniami zogromną dokładnością. Zdaniem Malcolma Boshiera z Yale University, jednegoz autorów artykułu zamieszczonego we wrześniu w "Physical Review Letters",nie jest jasne czy wszystko jest w porządku z tą teorią, więc dalsze pomiaryprzesunięcia Lamba służą także poszukiwaniu "nowej fizyki".

Czas pokaże czy wspomniane niezgodności są istotnie przejawem nieznanychjeszcze zjawisk, czy też chodzi tylko o jakieś przeoczone niedokładnościw eksperymentach.

O tym, że pomiary mogą być obarczone systematycznymi niepewnościami, któreuchodzą uwadze autorów, świadczą choćby ogłoszone w 1995 roku nowe pomiarystałej grawitacyjnej G. Ta jedna z najbardziej podstawowych stałych fizycznychjest znana z dokładnością zaledwie setnej części procenta, znacznie gorzejod innych stałych, jak stała Plancka, ładunek elektronu itd. Występującaobecnie w tablicach wartość G została przyjęta jeszcze w 1980 roku. Trzyzespoły eksperymentatorów, dwa z RFN (Uniwersytet w Wuppertalu i NiemieckieBiuro Standardów), a trzeci z Biura Standardów Nowej Zelandii, otrzymaływyniki bardzo niezgodne z obecną wartością tablicową, ale również niezgodneze sobą. We wszystkich przypadkach chodziło o rażące różnice - siedmiulub więcej odchyleń standardowych. W związku z tą sytuacją planowane sąkolejne pomiary, które może wreszcie doprowadzą do wyjaśnienia problemu.