Twoja wyszukiwarka

JERZY KOWALSKI-GLIKMAN
NEUTRINA MAJĄ MASĘ!
Wiedza i Życie nr 8/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1998

Neutrina należą do najbardziej nieuchwytnych cząstek elementarnych. Choć ich istnienie przewidziane zostało już na początku lat trzydziestych, jego doświadczalne potwierdzenie nastąpiło dopiero po upływie ponad ćwierć wieku. Przyczyną takiego stanu rzeczy był fakt, że neutrina niezwykle słabo oddziałują z materią: tylko jedna z miliarda tych cząstek, przelatując przez Ziemię, wejdzie w reakcję z jakimkolwiek z napotkanych po drodze atomów.

Neutrina występują w trzech odmianach znanych jako neutrino elektronowe, mionowe i neutrino tau. Nazwy te pochodzą od nazw cząstek produkowanych w reakcjach z udziałem neutrin, na przykład przy zderzeniu z protonem (jądrem atomu wodoru) neutrina elektronowego powstaje elektron, a neutrina mionowego - mion. Reakcje te są jedynym sposobem obserwacji neutrin, widoczne są one bowiem jedynie pośrednio poprzez produkty reakcji, w których biorą udział.

Sugeruje to metodę eksperymentalnego badania neutrin: należy wziąć wystarczająco duży basen wypełniony wodą, umieścić go w głebokiej kopalni w celu osłonięcia przed elektronami i mionami pochodzącymi z promieniowania kosmicznego, opleść siatką detektorów i czekać cierpliwie.

Na tej zasadzie zbudowany jest największy istniejący detektor neutrin, Super-Kamiokande w miejscowości Mozumi, 200 km na północny zachód od Tokio, którego sercem jest otoczony detektorami zbiornik zawierający 50 tys. ton niezwykle czystej wody umieszczony w starej kopalni cynku około 1000 m pod powierzchnią Ziemi.

Jedną z wielkich zagadek, nurtujących fizyków przynajmniej od połowy lat siedemdziesiątych, było, czy neutrina posiadają masę, czy też, podobnie do fotonów (cząstek odpowiadających promieniowaniu świetlnemu i innym rodzajom fal elektromagnetycznych), są bezmasowe. Ogólnie przyjęty Model Standardowy fizyki cząstek przyjmuje jako jedno z założeń, że neutrina masy nie posiadają, ale nie jest trudno uogólnić go tak, żeby opisywał neutrina masywne. Od wielu już lat istnieją pośrednie obserwacje wskazujące na to, że neutrina rzeczywiście są masywne.

Jeśli neutrina mają masę, to mogą one regularnie przechodzić (oscylować) pomiędzy różnymi stanami. Teoria oscylacji neutrin została zaproponowana w wyniku obserwowanego przez astrofizyków mniejszego niż oczekiwano strumienia tych cząstek w promieniowaniu słonecznym. Jeśli bowiem neutrina oscylują, to w drodze pomiędzy Słońcem a Ziemią część z nich zmienia się i nie może być obserwowana.

Dopiero jednak w czerwcu br. doniesiono, że w detektorze Super-Kamiokande oscylacje neutrin zostały zaobserwowane bezpośrednio (choć podobne wyniki, oparte na znacznie mniejszej liczbie obserwowanych przypadków, podane zostały już w 1994 roku).

Doświadczenie przeprowadzo-ne przez międzynarodowy zespół wykorzystują bardzo prosty pomysł. Neutrina produkowane są m.in. w wyniku zderzeń promieni kosmicznych z atomami górnych warstw atmosfery, na wysokości około 20 km. Cząstki docierające do detektora pochodzą z dwóch obszarów: nieba nad Japonią i z przeciwległego krańca Ziemi. Dwadzieścia kilometrów jest zbyt małą odległością, aby efekt oscylacji mógł nastąpić, stanowi więc swoistą próbkę powstałych w danym momencie w atmosferze neutrin.

Neutrina "antypoidalne" przebywają drogę około 14 tys. km i odległość ta jest wystarczająca, aby mogła zajść pewna liczba oscylacji. Po przeanalizowaniu kilku tysięcy przypadków naukowcy z Kamiokande doszli do wniosku, że tak jest w istocie.

Doświadczenie przeprowadzone w Kamiokande dowodzi, iż neutrina mają masę, nie można jednak za ich pomocą określić, jaka jest jej wartość. Wiadomo jedynie, że jest ona bardzo niewielka i nie może przekraczać (w przypadku neutrina elektronowego) kilku promili masy elektronu. Istnienie w przyrodzie cząstek o tak małej masie jest niewątpliwie zagadką wymagającą wyjaśnienia. Jednym z możliwych rozwiązań jest przyjęcie, że Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych jest jedynie przybliżeniem bardziej ogólnej teorii, zwanej teorią wielkiej unifikacji. Jest to wytłumaczenie akceptowane obecnie przez większą część fizyków.

Jednak jeśli teoria wielkiej unifikacji jest prawdziwa, to zapewne musi być ona powiązana z inną hipotezą, zwaną supersymetrią. Szczęśliwie się składa, że jeżeli supersymetria realizowana jest w przyrodzie, to przewiduje ona istnienie cząstek, które powinny być możliwe do zaobserwowania w projektowanych doświadczeniach z dziedziny fizyki wysokich energii.

Zdjęcie: Internet