Czytaj dalej

Cząstki elementarnej nie można sobie po prostu “zważyć”, zwłaszcza cząstki tak małej i wrednej jak neutrino. Nic dziwnego, że tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki powędrowała do Artura McDonalda z Uniwersytetu Królowej w Kingston i Takaakiego Kajity z Uniwersytetu w Tokio, którzy znaleźli sposób na dowiedzenie, że te irytujące karakany jednak masę posiadają.

Schrza­ni­łem, bo już dawno chciałem opu­bli­ko­wać wyczer­pu­jący artykuł na temat neutrin – i byłby na dzisiaj jak znalazł. Niestety pro­kra­sty­na­cja zwy­cię­żyła, więc do sprawy na pewno wrócę w przy­szło­ści, a dziś skupię się jedynie w tele­gra­ficz­nym skrócie na istocie rzeczy. Aby zro­zu­mieć osią­gnię­cie Kana­dyj­czyka i Japoń­czyka, musimy kojarzyć trzy kore­spon­du­jące ze sobą pojęcia: chi­ral­no­ści, oscy­la­cji oraz masy.

Chiralność

Para­dok­sal­nie dwa pierwsze terminy da się wyjaśnić sto­sun­kowo łatwo i intu­icyj­nie. Weźmy na początek chi­ral­ność, którą możemy równie dobrze nazywać swojsko brzmiącą “skręt­no­ścią”. Cząstki ele­men­tarne, jak wszystko w przy­ro­dzie, lubią wirować. Nie będziemy teraz zgłębiać natury spinu, ale musicie wiedzieć, że kwark, elektron, neutrino i każda inna drobina posiada coś w rodzaju wewnętrz­nego momentu obro­to­wego. W więk­szo­ści opra­co­wań, w tym momencie zazwy­czaj pojawia się porów­na­nie cząstki do obra­ca­ją­cego bączka – lecz z naszego punktu widzenia przy­dat­niej­sze będzie wyobra­że­nie cząstki jako wiertła lub śruby. Próbując wkręcić się w deskę, musimy obracać narzę­dziem, czemu jed­no­cze­śnie będzie towa­rzy­szył ruch postę­powy do przodu. Jeżeli mamy do czy­nie­nia z gwintem prawym, to osią­gniemy cel obra­ca­jąc śru­bo­krę­tem zgodnie z ruchem wska­zó­wek zegara. Fizyk powie, że nasza śruba posiada chi­ral­ność R, jest pra­wo­skrętna. Jeśli dla zagłę­bie­nia się w drewno będziemy musieli kręcić w kierunku prze­ciw­nym do wska­zó­wek zegara, otrzy­mamy chi­ral­ność L, lewo­skrętną.

Oscylacje

Natura mikro­świata jest jednak znacznie cie­kaw­sza od młotków, śru­bo­krę­tów i wier­ta­rek. A to dlatego, że prze­ciętna cząstka pozwala sobie na bycie pra­wo­skrętną i lewo­skrętną jed­no­cze­śnie. Pierwszy z brzegu proton bez przerwy, bły­ska­wicz­nie prze­cho­dzi z jednej chi­ral­no­ści w drugą. Myk-myk, myk-myk, myk-myk… Mówimy o oscy­la­cji cząstki. To doprawdy fascy­nu­jące, bo na dobrą sprawę dosta­jemy dwa w jednym: proton R i proton L mogłyby być przecież trak­to­wane jako dwie różne cząstki, ale tak się złożyło, że zawsze wystę­pują w duecie. Co o tym zade­cy­do­wało i czy istnieje w ogóle inna moż­li­wość?

Masa

Odpo­wiedź stanowi masa. Nie jakaś tam prosta miara ilości materii, lecz masa w naj­czyst­szej postaci, naszki­co­wana przez Petera Higgsa i dzia­ła­jąca dzięki obec­no­ści bozonu Higgsa, czyli sławnej “boskiej cząstki”. Jeśli wygrze­bie­cie z zaka­mar­ków swojej pamięci pod­sta­wowe wia­do­mo­ści o masie i teorii względ­no­ści, zwró­ci­cie uwagę na dwie kwestie. Obiekty wypo­sa­żone w masę – choćby naj­mniej­szą – nigdy nie osiągną 100% pręd­ko­ści światła, zaś obiekty pozba­wione masy zasad­ni­czo powinny poruszać właśnie z pręd­ko­ścią światła. A co cha­rak­te­ry­zuje ciała pędzące z mak­sy­malną możliwą pręd­ko­ścią, jak fotony? Im szybciej obiekt się porusza w prze­strzeni, tym wolniej tyka jego zegar, a cząstka osią­ga­jąca 300 tys. km/s, w pewnym sensie ulega “zamro­że­niu”.

Wnioski nasuwają się same. Jeżeli obiekt zatrzy­mał się w czasie, to nie powinien oscy­lo­wać. Hipo­te­tycz­nie przy­śpie­szana cząstka, hasałaby między dwoma stanami coraz wolniej, aż w końcu zosta­łaby przy jednej z moż­li­wo­ści. Rozu­mu­jąc w drugą stronę, jeśli mamy do czy­nie­nia z obiektem wypo­sa­żo­nym w masę, powin­ni­śmy zare­je­stro­wać jego oscy­la­cję. A neutrina okazały się jak naj­bar­dziej skłonne do oscy­la­cji.

Neutrino to schizofrenik

Neutrina podej­rze­wano o posia­da­nie jakiejś ledwie mie­rzal­nej masy już od lat 90., ale zaob­ser­wo­wa­nie ich oscy­la­cji mogło wyjaśnić sprawę raz na zawsze. Żeby nie było zbyt nudno, podczas badań neutrin emi­to­wa­nych przez Słońce (nawet teraz kilka biliar­dów tych nicponi przenika Twoje ciało), wyszła na jaw kolejna zagwozdka. Neutrino okazało się naj­gor­szym typem hipstera i zamiast oscy­lo­wać jak inne grzeczne cząstki wyłącz­nie między chi­ral­no­ściami L, R, L, R, kom­plet­nie zmienia swoją toż­sa­mość! W modelu stan­dar­do­wym wyróż­niono trzy typy (zapachy) neutrin: naj­po­spo­lit­sze neutrino elek­tro­nowe, neutrino mionowe oraz neutrino taonowe. Neutrino elek­tro­nowe frunąc przez prze­strzeń i skacząc między lewo­skręt­no­ścią a pra­wo­skręt­no­ścią, od czasu do czasu przyj­muje formę neutrina mio­no­wego lub tao­no­wego. Podczas gdy kwark czy elektron cierpią na schi­zo­fre­nię, toż­sa­mość neutrina pozo­staje kom­plet­nie rozbita. (Jakby tego było mało, neutrino może również kon­wer­to­wać w swoje anty­neu­trino, bo nie ma ładunku elek­trycz­nego). Efekt ten próbuje się wyjaśnić na pod­sta­wie skom­pli­ko­wa­nych mecha­ni­zmów kwan­to­wo­me­cha­nicz­nych, zwią­za­nych z cha­rak­te­rem nada­wa­nej cząstkom masy i łamaniem symetrii CP. Ale to materiał na osobny, dorodny wpis.

Warto wiedzieć, że sukces McDo­nalda i Kajity w żadnym wypadku nie jest czymś odosob­nio­nym, a uzyskany wynik to kon­se­kwen­cja całych dekad badań i prze­wi­dy­wań. Teoretyk Bruno Pon­ter­co­rvo był prze­ko­nany o oscy­la­cji neutrin już w latach 50., kilka lat później już pro­wa­dzono pierwsze eks­pe­ry­menty z detek­to­rem skon­stru­owa­nym w jednej z opusz­czo­nych ame­ry­kań­skich kopalni, nato­miast w 2002 roku komisja noblow­ska uho­no­ro­wała Masa­to­shiego Koshibe i Raymonda Davisa za wkład w zapro­jek­to­wa­nie naj­czul­szych przy­rzą­dów słu­żą­cych do pomiaru kosmicz­nych neutrin.



Właśnie prace tej ostat­niej pary, w sposób bez­po­średni umoż­li­wiły ukoń­cze­nie badań doce­nio­nych tego­rocz­nym Noblem. Chociaż ukoń­cze­nie to nie naj­lep­sze słowo, bo neutrina nadal skrywają ogromną ilość tajemnic.