Twoja wyszukiwarka

JAN NASSALSKI
WŁADCY WSZECHŚWIATA
Wiedza i Życie nr 12/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/1998

NEUTRINA ODKRYTE Z GÓRĄ CZTERDZIEŚCI LAT TEMU WCIĄŻ STANOWIĄ JEDNĄ Z NAJTRUDNIEJSZYCH DO ROZWIĄZANIA ZAGADEK FIZYKI CZĄSTEK ELEMENTARNYCH.

Polowanie na neutrina, najbardziej nieuchwytne i enigmatyczne z cząstek elementarnych, fascynuje wielu fizyków. W czerwcu tego roku grupa doświadczalna Super-Kamiokande przedstawiła wyniki sugerujące, że neutrina kryją w sobie więcej tajemnic, niż nam się poprzednio wydawało. Wyniki te można interpretować jako świadectwo tzw. oscylacji neutrin powstających w atmosferze Ziemi. Jest to silna nowa poszlaka, że - na przekór temu, co sądzono przez wiele lat - neutrina mają masę.

Wniosek ten ma bardzo istotne konsekwencje. Po pierwsze - neutrino obdarzone masą wykracza poza ramy obecnej teorii cząstek elementarnych opisującej podstawowe elementy, z których zbudowany jest świat oraz ich wzajemne oddziaływanie. Po drugie - oznacza to, że rola neutrin w konstrukcji i działaniu świata jest dużo większa niż sądziliśmy dotychczas.

Ryc. 1. Trzy generacje (albo: rodziny) cząstek elementarnych, które można znaleźć we Wszechświecie. Do każdej generacji należą dwa kwarki i dwa leptony: elektron i towarzyszące mu neutrino. Materiał budowlany obecnego, trwałego świata pochodzi z pierwszej generacji. Są nim dwa kwarki i elektron. Poza tym Wszechświat jest wypełniony neutrinami ze wszystkich trzech generacji. Wszystkie trwałe cząstki są wyróżnione pogrubioną ramką. Pozostałe cząstki są nietrwałe i można było je znaleźć w bardzo młodym, gorącym Wszechświecie. Obecnie pojawiają się tylko podczas zderzeń protonów i elektronów o bardzo dużych energiach. Takie zderzenia w naturze zachodzą rzadko, ale można je wywoływać w laboratoriach przy użyciu akceleratorów

Wszechświat wypełniony jest olbrzymią liczbą fotonów i neutrin, które powstały po Wielkim Wybuchu. Fotony, elementarne cząstki światła, mają zerową masę i w skali kosmologicznej są obecnie nikłym echem ważnej roli, którą odgrywały w zamierzchłej epoce gorącego Wszechświata. Natomiast obdarzone masą neutrina mogą wnieść znaczący wkład do masy Wszechświata. Może być on znacznie większy od mas wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach. Nawet znikoma masa neutrin jest w stanie zatrzymać lub nawet odwrócić obecną ekspansję przestrzeni Wszechświata. Dla wielu z nas widok nieruchomego, wygwieżdżonego nieba nie będzie już nigdy taki jak dawniej.

ŚWIAT CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

Obecna teoria podstawowych elementów budowy świata, tzw. Model Standardowy cząstek elementarnych, odniosła olbrzymi sukces. Wiara w nią opiera się na dokładności jej przewidywań. Była ona od kilkunastu lat skrupulatnie sprawdzana przez fizyków w wielu precyzyjnych pomiarach przeprowadzanych w licznych laboratoriach na całym świecie.

Podstawowym budulcem materii, z której ulepiony jest świat i my sami, są trzy cząstki: elektron oraz dwa kwarki, "górny" i "dolny". Razem z neutrinem tworzą one pierwszą rodzinę cząstek elementarnych (ryc. 1). Zgodnie z obecną wiedzą, nie mają one wewnętrznej struktury, są nierozciągłe, czyli w sensie matematycznym - punktowe, a także elementarne, bo nie można ich "podzielić".

Sposób budowy świata jest następujący: z kwarków zbudowany jest proton i neutron, z protonów i neutronów - jądra atomowe, z jąder i elektronów - atomy, z atomów - molekuły, z atomów i molekuł - gwiazdy i galaktyki. Również człowiek i każdy żywy organizm zbudowany jest z atomów, przy użyciu dwóch kwarków i elektronu. Taka konstrukcja przypomina odwróconą piramidę; jej rozległe, najwyższe piętro reprezentuje całą złożoną różnorodność świata, natomiast u jej podstawy są tylko dwa kwarki i elektron. Nie ma tam neutrina. Po co więc neutrino istnieje?

Takie pytanie ma sens tylko wtedy, jeśli założymy, że projekt budowy świata zrealizowany został w sposób oszczędny, nie pojawiają się w nim elementy niepotrzebne, tzn. każdy element jest niezbędny do uzasadnienia jego obecnej struktury. I rzeczywiście tak jest z neutrinami: regulowały szybkość budowy piramidy oraz decydowały o pewnych subtelnych i dziwnych własnościach jej elementów.

CZY NEUTRINA MAJĄ COŚ WSPÓLNEGO Z CUKREM?

Wszyscy członkowie elementarnej rodziny mają pewną własność, o której można mówić sensownie tylko w języku, którego natura używa na poziomie mikroświata - języku mechaniki kwantowej. Spróbujmy jednak opowiedzieć o niej w języku codziennym. Ta własność nazywa się "spinem'' albo po polsku "krętem''. Cząstka elementarna, która ma kręt, wygląda jak nakręcany bąk wirujący wokół własnej osi. Kręci się zawsze w tym samym rytmie, bez tego nie może istnieć. Kiedy cząstka się porusza, kręci się jak pocisk wystrzelony z gwintowanej lufy. Lufa może być nagwintowana lewo- lub prawoskrętnie i natura dopuszcza obie skrętności cząstek. Z jednym wyjątkiem; podczas gdy kwarki i elektron mogą być lewo- i prawoskrętne, neutrino kręci się zawsze tylko w lewą stronę. Prawoskrętne neutrino nie istnieje.

Neutrino pozostawia lewoskrętne ślady we wszystkich zjawiskach, w których uczestniczy. Na przykład w atomach w bardzo subtelny sposób preferowane są lewoskrętne elektrony. Być może doprowadziło to do przewagi lewoskrętnych aminokwasów i prawoskrętnych cukrów w organizmach żywych.

NEUTRINA SĄ PRZENIKLIWE

Cząstki obserwujemy wtedy, kiedy oddziałują z materią. Na poziomie elementarnym oddziaływanie to polega na zderzeniu z inną cząstką. Aby oddziaływanie miało miejsce, cząstki muszą "chcieć'' się zderzyć. Miarą tej chęci jest ładunek, który cząstka nosi ze sobą zawsze w "podróżnej torbie". Cząstka nie może się go pozbyć, podobnie jak krętu, rodzi się z nim, a gdy umiera, przekazuje go dalej.

Ryc. 2. Cząstki elementarne i ich ładunki. Ładunek silny noszą tylko kwarki, ładunek słaby wszystkie cząstki. Neutrino nosi tylko ładunek słaby, dlatego bardzo trudno cząstkę tę zobaczyć

Natura ma do rozdania trzy ładunki o różnej wielkości. Duży ładunek określa silną skłonność do nawiązania kontaktu, mały - do bycia niezauważalnym. W fizyce ładunki te noszą nazwy "silny'', "elektryczny'' i "słaby''. Istnieją cząstki bogatsze i biedniejsze. Zajrzyjmy do ich torby. Kwarki mają wszystkie trzy ładunki, elektron - elektryczny i słaby, a neutrino - tylko słaby (ryc. 2). Dlatego neutrina są bardzo przenikliwe. Neutrino praktycznie bez przeszkód przenika przez całą kulę ziemską, przez Słońce, a nawet Galaktykę. Dlatego bardzo trudno je zbadać. Neutrinowe pułapki mają olbrzymie rozmiary i aby coś w nie złapać, trzeba bardzo długo czekać.

SĄ JESZCZE DWIE INNE RODZINY

Dotychczas mówiliśmy o rodzinie cząstek, z których zbudowany jest świat, w którym żyjemy. W fizyce nazywa się ją "rodziną pierwszej generacji", czyli np. dziadków. Należy do niej kwark "górny'' i "dolny'', elektron i neutrino. Jest to świat stabilnych atomów, które przetrwały próbę czasu trwającą od powstania Wszechświata, czyli około 15 mld lat. Jego mniej trwałe elementy, np. samotne neutrony, rozpadły się w ciągu pierwszych 15 minut. Ten stabilny świat jest więc wyselekcjonowany i zubożony o materiał nietrwały. Być może, na co dzień mamy do czynienia tylko z małą częścią jego możliwości, a żeby poznać wszystkie, musimy znów cofnąć się w czasie do pierwszych chwil, gdy Wszechświat był nie tylko bardzo młody, ale i bardzo gorący.

Może się wydawać, że taka podróż zmierza do krainy czystej fantazji, którą można zasiedlić dowolną liczbą dziwnych stworów, bo i tak naszej historii nikt nie sprawdzi. Nie musimy jednak cofać się w czasie, jeżeli wystarczy nam spojrzenie przez mgnienie sekundy na drobny fragment. Taki kawałek gorącego Wszechświata "w probówce'' możemy stworzyć w laboratorium przy użyciu potężnych akceleratorów. Wysoka temperatura oznacza duże energie cząstek. Zderzenia cząstek o dużej energii w laboratorium symulują w mikroskopijnej skali zderzenia w gorącym Wszechświecie, w wyniku czego zderzeń powstają nowe, krótko żyjące cząstki, które istniały tylko w pierwszym okresie ewolucji Wszechświata.

Wszechświat w probówce dostarczył fizykom dużo ciekawych informacji. Wiemy teraz, że istnieją w nim jeszcze dwie rodziny cząstek elementarnych i każda z nich składa się również z dwóch innych kwarków, innego elektronu i innego neutrina (ryc. 1). Są więc one do siebie bardzo podobne. Nazywa się je rodzinami drugiej i trzeciej generacji, powiedzmy rodziców i dzieci. Z nowych kwarków zbudowane są cząstki nietrwałe, o masach większych od neutronu i protonu. Nietrwały jest również odpowiadający im ciężki elektron. Trwałe są tylko neutrina. Trzy rodzaje neutrin utworzonych w Wielkim Wybuchu są wśród nas.

Dlaczego istnieją aż trzy rodziny, skoro dwie z nich są bezużyteczne przy budowie trwałego świata? Z naszego punktu widzenia, czyli z perspektywy 15 mld lat, wydaje się to rozrzutnością przyrody. Wyczerpującej odpowiedzi jeszcze nie znamy, bo nie znamy całego scenariusza powstawania Wszechświata.

NEUTRINA WAŻĄ BARDZO MAŁO ALBO NIC

Wiemy już, że neutrina są nierozciągłe, mają kręt i niosą tylko słaby ładunek. Do ich pełnego rysopisu brakuje jeszcze informacji o "wadze'', czyli masie. Model Standardowy zakłada, że nie mają one masy w ogóle, podobnie jak foton. Jak sprawdzić, czy masa neutrina jest równa zeru czy nie?

Ryc. 3: z lewej - Standardowy sposób "ważenia'' neutrin (dla tych, którzy nie lubią wzorów), przy wykorzystaniu rozpadu neutronu. Z prawej - Najbardziej precyzyjnie oszacowana jest masa neutrina elektronowego. Mierzy się energie elektronów z rozpad m atomów trytu (3H). Z rozkładu energii najbardziej energetycznych elektronów można otrzymać oszacowanie masy neutrina. Jeżeli masa jest równa zeru, to maksymalna energia wynosi około 18.59 tys. elektronowoltów. Większa masa daje mniejszą energię, co pokazane jest na rysunku. Obecnie masę neutrina elektronowego szacuje się na mniej niż 15 elektronowoltów

Typowy pomiar masy cząstki przypomina ważenie płynu w butelce: na jednej szalce wagi stawiamy butelkę z wodą, a na drugiej taką samą pustą butelkę. Niedowaga określa ciężar wody. Do pomiaru masy neutrina bierzemy neutron, który rozpada się na proton, elektron i neutrino. Na jednej szalce
wagi kładziemy neutron, a na drugiej proton i elektron. Na tym polega sam pomysł pomiaru (ryc. 3 a). W rzeczywistości pomiar jest dużo bardziej skomplikowany, ponieważ cząstki, na które rozpadł się neutron, poruszają się z dużymi prędkościami (ryc. 3 b).

Łatwo zauważyć, że w ten sposób nigdy nie odpowiemy na pytanie, czy masa neutrina jest dokładnie równa zeru, ponieważ masy pozostałych cząstek znamy z ograniczoną dokładnością. Wiemy tylko, że neutrino jest kilkadziesiąt tysięcy razy lżejsze niż elektron. Jest to bardzo mała liczba, ale jej znaczenie jest olbrzymie i chcemy ją znać dużo lepiej. Z pomocą przychodzi nam mechanika kwantowa.

KWANTOWA ZOSIA, CZYLI OSCYLACJE NEUTRIN

Nie tylko człowiek może mieć złożony charakter, cząstki również. Możliwość taką daje mechanika kwantowa, która ma ogromny repertuar paradoksalnych zachowań. Gdyby Zosia biegła w kwantowym świecie, mogłaby stać się Kasią. Jeżeli neutrino ma masę, może się zachowywać jak kwantowa Zosia-Kasia.

Przyjrzyjmy się bliżej trzem rodzinom cząstek: dziadków, rodziców i dzieci. Ich charakter i obyczaje opisuje Model Standardowy. W każdej generacji szczególnie bliska sobie jest para kwarków oraz elektron i neutrino. Cząstki te czasem przeistaczają się w siebie lub nieoczekiwanie pojawiają się parami. Na przykład rozpad neutronu polega na przeistoczeniu się kwarka "górnego" w "dolny", któremu towarzyszy pojawienie się pary: elektron i neutrino. Jeżeli kwark "górny" i "dolny" nazwiemy odpowiednio Frankiem i Antkiem, a elektron i neutrino Marysią i Zosią, rozpad neutronu polega na tym, że Franek stał się Antkiem w towarzystwie Marysi i Zosi.

Ryc. 4. Produkcja neutrin przez promieniowanie kosmiczne. Nadlatujące z kosmosu jądro (najczęściej proton) o dużej energii zderza się z jądrem gazu w górnych warstwach atmosfery, około 15 km ponad powierzchnią Ziemi. W wyniku zderzenia produkuje się wiele cząstek, m.in. mezony p (p6).
Mezon p żyje zaledwie 1/100 000 000 sekundy i rozpada się na mion (m6) i neutrina mionowe. Mion też po 1/1 000 000 sekundy rozpada się na elek-tron (e6), neutrino elektronowe i antyneutrino mionowe. W strumieniu neutrin, który dociera do powierzchni Ziemi, oczekujemy dwa razy więcej neutrin mionowych niż elektronowych - chyba że neutrina te oscylują

Takie same obyczaje panują w generacji rodziców, do której należą Paweł i Gaweł oraz Basia i Kasia. Badania socjologiczne przeprowadzone przez fizyków odkryły szczególny rodzaj podobieństwa pomiędzy rodzinami z różnych generacji. W pewnych sytuacjach dziadek Antek i ojciec Gaweł mieszają się ze sobą tak, że nie można ich odróżnić; Antek ma w sobie coś z Gawła, a Gaweł z Antka. Podobnie jest w trzeciej generacji.

Nie odkryto dotychczas analogicznego mieszania się pokoleń w sektorze żeńskim. Polegałby on na mieszaniu się np. babci Zosi i mamy Kasi, czyli neutrin z różnych pokoleń. Być może nie odkryto tego dlatego, że badanie neutrin jest bardzo trudne i obserwacji doświadczalnych jest mało. Otóż mieszanie się neutrin byłoby możliwe, gdyby miały one masę różną od zera. Ciekawe rzeczy można by zobaczyć, gdyby babcia i mama miały różną wagę: kwantowa babcia wybiega z domu i pędzi przed siebie. Obserwujemy ją uważnie i nie mamy żadnej wątpliwości, że jest to babcia. Jednak w miarę jak babcia biegnie, widzimy coś dziwnego: coraz mniej jest babci, a coraz więcej mamy. W pewnym momencie nie ma żadnej wątpliwości, że jest to mama, a nie żadna babcia. Mama biegnie dalej i sytuacja się odwraca. Po pewnym czasie widzimy znów stuprocentową babcię.

Na tym polega oscylacja neutrin: biegnące neutrino, np. z drugiej generacji, po przebyciu pewnej odległości może się przemienić w neutrino z pierwszej lub trzeciej generacji. Warunek jest tylko jeden: muszą mieć różne masy, czyli przynajmniej jedno z nich musi mieć masę różną od zera. Oscylacja neutrin dowodzi więc ich niezerowej masy. O to właśnie chodzi w eksperymencie Super-Kamiokande.

SKĄD SUPER-KAMIOKANDE WZIĘŁO NEUTRINA?

Atmosfera Ziemi jest bezustannie bombardowana przez promieniowanie kosmiczne - nadlatujące z kosmosu jądra atomów (ryc. 4). Przylatują ze wszystkich kierunków, głównie jądra wodoru (protony), nieco helu, ale są wśród nich nawet jądra żelaza. Niektóre z nich mają zdumiewające energie, porównywalne z energią parogramowego pocisku pędzącego z prędkością 100 km/h... Nie wiadomo, skąd przychodzą. Ich kosmiczne fabryki znajdują się najprawdopodobniej gdzieś w pobliskich galaktykach.

Chroni nas przed nimi atmosfera Ziemi; kosmiczne jądra zderzają się z jądrami powietrza, produkując inne, lżejsze cząstki o mniejszej energii. Większość z nich żyje krótko i rozpada się na neutrina, część przed rozpadem też zderza się z cząsteczkami powietrza. W miarę zagłębiania się w atmosferę ich liczba zwiększa się, a energia maleje. Do powierzchni Ziemi dociera lawina cząstek pochodzących z rozpadów, a wśród nich - neutrina. Są to neutrina z pierwszej i drugiej rodziny. Tych drugich jest dwa razy więcej.

SUPER-KAMIOKANDE

Górska okolica na północny zachód od Tokio nazywana jest Japońskimi Alpami. W miejscowości Kamioka znajduje się kopalnia rud metali kolorowych. Rud poszukuje się w skalistym wnętrzu góry Ikena Yama, której wierzchołek wznosi się o 1000 m ponad miejscowością. U jej podnóża w górę wgryzają się dwukilometrowe chodniki, które prowadzą do jej wnętrza (ryc. 5). W środku wydrążono wielką komorę, która mieści betonowy cylinder o średnicy i wysokości około 40 m. Cylinder wypełnia 50 tys. ton wody, która była filtrowana przez kilka miesięcy i teraz ma przezroczystość optyczną rzędu około 100 m. Ze wszystkich ścian cylindra spogląda na nią 11 146 wielkich oczu o średnicy 0.5 m (ryc. 5 i 6). W absolutnej ciemności wypatruje światła, które zwiastuje neutrina. To jest detektor Super-Kamiokande.

Ryc. 5. Plan sytuacyjny i schemat detektora Super-Kamiokande

Detektor zbudowało 114 fizyków z 22 japońskich i amerykańskich laboratoriów za 100 mln dolarów. Obecnie w doświadczeniu uczestniczą również fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego. Detektor działa dzień i noc, ponieważ dla neutrina Ziemia nie jest przeszkodą.

Tylko drobna część neutrin zderza się z cząsteczkami wody w olbrzymim zbiorniku: zaledwie kilka, kilkanaście w ciągu doby. Neutrino może się wtedy przeobrazić w elektron, który, poruszając się z olbrzymią prędkością w wodzie, wysyła przed siebie strumień światła. Na ścianę detektora pada jego świetlny pierścień.

Wielkie oczy są fotopowielaczami, w których, podobnie jak w ludzkim oku, świetlne sygnały powodują powstanie impulsów elektrycznych. Układy elektroniczne odczytują je i przesyłają informacje do komputerów, za pomocą których fizycy obliczają kierunek neutrina oraz jego energię.

Wiadomo również, z której rodziny pochodziło neutrino. Zdradza to elektron. Zwykły, trwały elektron towarzyszy neutrinu z pierwszej generacji. Cięższy od niego, krótko żyjący mion - neutrinu z drugiej generacji. Neutrina wytwarzane przez promieniowanie kosmiczne przylatują ze wszystkich stron. Te, które przychodzą z góry, powstały kilkanaście kilometrów powyżej - tam, gdzie zaczyna się atmosfera Ziemi. Te, które nadlatują z dołu, przychodzą z drugiej strony kuli ziemskiej, z odległości o 13 tys. km większej.

Zespół Super-Kamiokande porównał liczbę neutrin z góry i z dołu. Okazało się, że tych z dołu jest mniej. Zgubiły się neutrina z drugiej generacji. Wygląda na to, że część z nich podczas podróży przez Ziemię przeobraziła się w neutrina z trzeciej generacji - Zosia przemieniła się w Kasię. A więc neutrina mają masę i masy neutrin z drugiej i trzeciej rodziny są różne. Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, musimy najpierw policzyć neutrina w kosmosie.

NEUTRINA W KOSMOSIE

Promieniowanie kosmiczne jest tylko jednym z wielu źródeł neutrin. Źródła te biją w nas samych, na Ziemi, w Słońcu, w kosmosie. Neutrina powstają w nas i na Ziemi w wyniku rozpadu neutronu w pierwiastkach promieniotwórczych, jednak najobfitszym źródłem neutrin w naszym pobliżu jest Słońce. W każdej sekundzie, w dzień i w nocy, przeszywa nas ponad pół tryliona neutrin wytwarzanych w jego termojądrowym reaktorze.

Najobfitszym źródłem w skali kosmicznej jest wybuch gwiazdy supernowej - śmiertelny paroksyzm gwiazdy dużo masywniejszej od Słońca. Taki wybuch widać było gołym okiem w Wielkim Obłoku Magellana 22 lutego 1987 roku. Podróż światła trwała ponad 100 tys. lat, a zaraz za światłem, w ciągu kilku sekund, przyleciały neutrina. Przez każdy metr kwadratowy Ziemi przeszło wtedy ponad 10 mld neutrin. Olbrzymia większość z nich poleciała dalej. Neutrina bijące z tych źródeł to jednak nikły strumyczek w porównaniu z oceanem neutrin uwolnionych po Wielkim Wybuchu, w którym zanurzony jest cały kosmos.

Ryc. 6. Zdjęcie wnętrza detektora Super-Kamiokande. Detektor ma kształt walca o wysokości dziesięciopiętrowej kamienicy i podobną średnicę (40 m). Wypełnia go 50 tys. litrów superczystej wody. Na zdjęciu widać fotopowielacze, które szczelnie pokrywają wszystkie ściany walca. Jest ich 11146 o średnicy 0.5 m każdy

W bardzo młodym, gorącym i gęstym Wszechświecie nawet niezbyt towarzyskie neutrina bezustannie zderzały się ze sobą i z innymi cząstkami elementarnymi. Kolizje te następowały coraz rzadziej w miarę ekspansji przestrzeni i po około jednej minucie swojego życia Wszechświat stał się dla neutrin przezroczysty. Od tego momentu ich olbrzymia rzesza bez przeszkód podróżuje po kosmosie. Podobna historia przydarzyła się fotonom około miliona lat później.

Te fotony i neutrina są wśród nas. Jest ich niezliczona ilość. Co więcej - fotony "widać" i można je policzyć. Od czasu "ucieczki fotonów" Wszechświat ochłodził się do temperatury około 3° powyżej zera absolutnego. W tej temperaturze fotony nie są widzialne gołym okiem, podobnie jak nie można zobaczyć fotonów, które podgrzewają pizzę w kuchence mikrofalowej, albo fotonów biegnących od satelitów telekomunikacyjnych. Można je jednak obejrzeć i policzyć właśnie za pomocą anten telekomunikacyjnych, i to z niezwykłą precyzją.

Uwolnione neutrina mają teraz bardzo małą energię, jeszcze mniejszą niż fotony. Oddziałują tak słabo, że nikt nie wymyślił jeszcze sposobu, żeby je zobaczyć. Wiemy, ile ich jest, ponieważ tak jak fotony noszą piętno Wielkiego Wybuchu: około 100 mln w każdym metrze sześciennym. Jest to kolosalna liczba w porównaniu z liczbą wszystkich neutronów i protonów we Wszechświecie. Gdyby wszystkie neutrony i protony, jakie widzimy na Ziemi, Słońcu i we wszystkich galaktykach, rozprowadzić równo we Wszechświecie, otrzymalibyśmy liczbę sto milionów razy mniejszą, zaledwie jeden nukleon w jednym metrze sześciennym.

WŁADCY PRZESTRZENI

Wszechświat rozszerza się. Przestrzeń unosi każdą galaktykę, pokonując przyciąganie grawitacyjne innych galaktyk, podobnie jak wystrzelona rakieta pokonuje przyciąganie Ziemi. Rakieta powraca na Ziemię, jeżeli jej prędkość jest zbyt mała. A co z Wszechświatem? Czy będzie się wiecznie rozszerzał, czy wróci z powrotem tam, skąd został wysłany?

Wiemy, jaka jest szybkość rozszerzania się Wszechświata i możemy obliczyć, jaka gęstość materii mogłaby go zatrzymać i zmusić do powrotu. Wystarczy zaledwie 10 neutronów i protonów w jednym metrze sześciennym. Ta gęstość, nazywana "gęstością krytyczną", jest jedynie 10 razy większa od tej, którą się obserwuje. To jest fenomenalna zbieżność w skali zjawisk kosmicznych. A może gęstość Wszechświata jest dokładnie równa gęstości krytycznej?

O jakiej masie jeszcze zapomnieliśmy? Oczywiście - o masie, którą wnoszą neutrina. Przed doniesieniami o oscylacjach neutrin nie było podstaw do uwzględniania ich w bilansie. Teraz można postępować śmielej. Liczba neutrin jest kolosalna i neutrino o masie około 10 mln razy mniejszej od protonu wystarczy, żeby zmusić Wszechświat do powrotu.

Pomiary masy neutrina "elektronowego'' (z pierwszej generacji) są najbardziej precyzyjne. Wiadomo, że jego masa musi być co najmniej 100 mln razy mniejsza od protonu, czyli neutrina elektronowe nie są dobrymi kandydatami na brakującą masę we Wszechświecie. Natomiast pomiary mas dwóch innych neutrin są znacznie mniej dokładne i ichmasa może nasze potrzeby znacznie przekraczać. Po wiadomościach z Super-Kamiokande ma już sens mówienie o neutrinach, które mają masę. Enigmatyczne, dziwaczne i nieuchwytne neutrina mogą być władcami przestrzeni.

CZY NEUTRINA NA PEWNO MAJĄ MASĘ?

Fizycy są na ogół bardzo sceptyczni. Wynik Super-Kamiokande można interpretować jako oscylacje neutrin, ale diabeł nie śpi i fizyka zna odkrycia efektów, które były efemerydą. Odkrycie tak dużego kalibru wymaga potwierdzenia przez inne doświadczenia, przeprowadzone w inny sposób przez inne zespoły. Takie doświadczenia były planowane jeszcze przed doniesieniami z Super-Kamiokande. Ich skala obejmuje kulę ziemską.

W niektórych z nich źródłem neutrin jest Słońce, a oscylacje mogą zachodzić na drodze 150 mln km od Słońca do Ziemi. W innych doświadczeniach wykorzystuje się reaktory jądrowe, które świecą neutrinami z rozpadów neutronów. W jeszcze innych planuje się strzelać neutrinami poprzez skorupę ziemską do odległego detektora. Rolę działa pełnią cząstki, które w locie rozpadają się na neutrina. Cząstki takie są produkowane nie tylko przez promieniowanie kosmiczne, ale również w akceleratorach, supertechnologicznych obwarzankach o parokilometrowym obwodzie, w których protony są przyspieszane do olbrzymich energii i zmuszane do zderzeń z materią.

Jeden z takich eksperymentów rozpocznie się w Japonii w przyszłym roku. Neutrina będzie się wystrzeliwać z Tokio w kierunku detektora Super-Kamiokande, odległego o 250 km. Inny ruszy dwa lata później w Stanach Zjednoczonych. Jeszcze inny planowany jest w CERN, Międzynarodowym Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą.

Neutrina z CERN będą przenikać pod Alpami do detektora odległego o 730 km, pod górą Gran Sasso, w północnych Włoszech. Kto wie, czy za kilka lat nie wyśle się neutrin z CERN, na wskroś kuli ziemskiej, do detektora Super-Kamiokande, odległego o 8750 km w linii prostej?

To brzmi jak fantastyka naukowa. Może któryś z młodych Czytelników zechce w niej uczestniczyć? W ciągu najbliższych lat tajemnicze neutrina zapewne przyniosą jeszcze wiele nowych niespodzianek.

Prof. dr hab. JAN P. NASSALSKI pracuje w Instytucie Problemów Jądrowych w Warszawie.