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.chiralnosc

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 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.

Coś jeszcze

neutrino smakiNeutrina 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.
neutrino wazWłaśnie 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.
podpis-czarny
  • Kawior

    Dziękuję panie Adamie. Teraz widzę jak udo­stęp­niają znajomi na tekst z nauka­to­lu­bie i byłem po nim mocno roz­cza­ro­wany. “Naukowcy dostali nobla, bo badali małe cząstki, które się zmie­niają” w zasadzie tyle autor wyjaśnił. Nie wiem skąd ta popu­lar­ność.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • duc

      W prosty sposób wyjaśnił rzeczy, które dla zwykłych laików byłyby nie do ogar­nię­cia. Napisał dlaczego neutrina nie były łatwe do zbadania. 

      Nie wiem skąd ta krytyka. Kom­pen­suje pan nią niską pewność siebie?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kawior

        Nie za bardzo wiem o co panu chodzi? Jak ma się moja samo­ocena do tego co napi­sa­łem — to raczej pan jest prze­wraż­li­wiony atakując od razu obcą osobę. 🙂
        Wyra­zi­łem moją opinię: na tamtej stronie dowie­dzia­łem się wła­ści­wie tylko tyle, że neutrina są małe i że za badania na nich ktoś dostał Nobla — a to uprosz­cze­nie tak dalekie, że według mnie aż błędne. Dla laików, a takim ja jestem, jest ten tekst, tamten nie wiem dla kogo został napisany. Oczy­wi­ście pan może mieć zdanie odrębne, ale proszę na tej pod­sta­wie nie tworzyć nie­stwo­rzo­nych teorii.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • gaki

    Czy jeśli neutrina mają masę ( a jest ich dużo) to czy nie trzeba będzie w jakieś sposób zre­wi­do­wać wiedzy na temat % ilości czarnej materii we wszech­świe­cie. Bo skoro mają masę to chyba w jakiś sposób oddzia­łują na materię i wyja­śniało by to czę­ściowo masę potrzebną do utrzy­ma­nia galaktyk. Jestem huma­ni­stą, laikiem ale trochę inte­re­sują mnie te sprawy, więc jeśli pytanie jest głupie to prze­pra­szam… Proszę o odpo­wiedź.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Ale proszę… ciemnej, nie czarnej. 😉 Neutrina były przez długi czas kan­dy­da­tami na ciemną materię, ale właśnie fakt, iż ich masa jest tak bardzo, bardzo, bardzo mała odwiódł od tego naukow­ców. Fizycy dokład­nie odwrot­nie, szukają cząstek bardzo masyw­nych, masyw­niej­szych od tych które znamy. Odsyłam do teksty “Nie­wi­dzialne rusz­to­wa­nie wszech­świata”.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • gaki

        dziękuję

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • yaxoo

      Spo­koj­nie, spo­koj­nie. To, że neutrina mają masę, wiadomo już od dawna. Już osza­co­wano jej wartość i uwzględ­niono w bilansie cał­ko­wi­tej masy wszech­świata. Jeżeli wierzyć panom Ostri­ke­rowi i Mit­to­nowi, to sumując masę (i energię, wszak to jedno i to samo) wszyst­kich neutrin we wszech­świe­cie, wszyst­kich czarnych dziur, energię fotonów z mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła, a nawet masę bądź energię fotonów światła widzial­nego wszyst­kich gwiazd, uzyskamy wartość tak małą, że porów­ny­walną z błędem pomiaru — w odnie­sie­niu do masy wszyst­kiego we wszech­świe­cie.

      Zresztą nie wiadomo, do czego nale­ża­łoby przy­pi­sać masę neutrin: zwykłej materii (w końcu, jak by nie było, jest to zwykła cząstka, należy do tego samego gatunku, co elektron), czy może do ciemnej (skoro nie oddzia­łuje z bario­nami, ale mając masę, może oddzia­ły­wać gra­wi­ta­cyj­nie). Podobnie jak z czarnymi dziurami, z jednej strony ich masa jest dziełem barionów, ale ciemna dziura nie świeci i jej nie widać. Na szczę­ście w ogóle nie ma się po co nad tym zasta­na­wiać. Masa wszyst­kich neutrin we wszech­świe­cie jest mikro­sko­pij­nie mała, tak więc neutrina w ogóle nie wyja­śniają ist­nie­nia ciemnej materii. Zresztą, z pomiarów wynika, że ciemna materia nie fruwa tak, jak neutrina, lecz siedzi twardo w kon­kret­nym miejscu: na zewnątrz galaktyk. Czarne dziury też nie pasują do ciemnej materii, bowiem są w środku galaktyk, a tam galak­tyka ma najmniej masy. Naj­wię­cej masy galak­tyka ma na końcu, gdzie już nie ma słońca. I to jest właśnie ciemna materia, a nie jakieś neutrina, prze­ni­ka­jące wszystko z pręd­ko­ścią bliską c.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • yaxoo

        Prze­pra­szam, w przed­ostat­nim zdaniu powinna być liczba mnoga: gdzie nie ma już słońc (czy też gwiazd, no, że nic tam już nie świeci). Nie kory­go­wał­bym już tego błędu, ale “słońce” w liczbie poje­dyn­czej ma wiele innych znaczeń.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ver­Ti­slav

    lite­rowka: ‘a cząstka osią­ga­jąca 300 tys. km/h w pewnym sensie ulega „zamro­że­niu”.’- na sekunde, nie godzine. 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Jasne, dzięki za czujność!

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Ver­Ti­slav

        Nie ma za co. 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Georgi

    Skręt­ność jest czym innym niż chi­ral­ność.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Bri­tan­nic

      tak i nie. to znaczy to nie to samo ale chi­ral­ność jak pamiętam to pojęcie ściśle związane lub wyni­ka­jące wprost ze skręt­no­ści. właśnie chyba to ta symetria która pozwala się cząstce ‘wkręcać’ w prze­strzeń mimo oscy­la­cji między l i p.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Junoxe

        Chi­ral­ność to złożenie kierunku spinu z ruchem postę­po­wym. Spin w tym wypadku (w tym wypadku) przyj­muje wartosci cał­ko­wite (np. góra i dół) to chi­ral­ność przyj­muje wartość L lub R. Chi­ral­ność R wystę­puje wtedy, gdy składany spin jest w tym samym kierunku co ruch, a chi­ral­ność L, wtedy, gdy spin jest skie­ro­wany w prze­ciw­nym kierunku do ruchu. Mniej więcej.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Junoxe

    @Adam Adamczyk
    @disqus_OglWN6Vv2H:disqus
    Zaś co do samego artykuł, wydaje mi się, że jednak nie o taką oscy­la­cjeę chodziło w tego­rocz­nym Noblu. Chodzi tu o oscy­la­cje neutrin pomiędzy zapa­chami. Sam fakt, że takie oscy­la­cje zachodzą jest dowodem pośred­nim na ist­nie­nie masy, gdyż tylko cząstki masowe mogą to robić. Nie chodzi zaś o dowód na oscy­la­cję L-R będącą częścią mecha­ni­zmu nada­wa­nia masy.
    Jeśli się pomy­li­łem to prze­pra­szam.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

    Nie jestem eks­per­tem, ale nie trzeba nim być aby zauważyć, że autor nie wiedzieć czemu bardzo emo­cjo­nal­nie traktuje całą sprawę. Chodzi o jakąś kon­kretną tezę, czy mam dopisać sobie cały blog do listy lektur na przyszły rok? 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • borysses

    Ten salonowy blog to jeden wielki bełkot. Dodając do tego niczym nie­skrę­po­wany entu­zjazm autora co do swojej nie­omyl­no­ści, nazy­wa­nie wszyst­kiego bzdurami bez poda­wa­nia żadnych argu­men­tów (no chyba, że za argument można uznać “oni się mylą bo ja mam rację”) oraz duża dawka emocji świadczy, że piszący może nie być do końca psy­chicz­nie nor­ma­tywny 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

    Klik­ną­łem sobie z cie­ka­wo­ści notkę na temat Plutona. Cóż me oczęta zoba­czyły to się nie odzo­ba­czy:

    “To co na tych zdję­ciach zoba­czyli miało w sobie poten­cjał roz­sa­dza­jący fun­da­menty współ­cze­snej nauki i obna­ża­jący bez­li­to­śnie jej ezo­te­ryczną naturę. (…) Pluton miał być, według wyobra­żeń tych zadu­fa­nych w sobie mistrzów w biciu piany, martwym ciałem nie­bie­skim zasty­głym w swojej obecnej formie od miliar­dów lat. (…) Co jednak dobiło tych igno­ran­tów naj­bar­dziej to to, że Pluton posiada atmos­ferę i to całkiem porządną, zróż­ni­co­waną na wiele stref (…) Te fakty są nie­ubła­gane i pokazują nie­zbi­cie, że cała współ­cze­sna fizyka to stek idio­tycz­nych bzdur a jej przed­sta­wi­ciele to zwykli debile.”

    Nie róbcie sobie krzywdy i nie czy­taj­cie tych kre­ty­ni­zmów, bo większą wartość mery­to­ryczną można znaleźć nawet w wykła­dach Howinda — a to znaczy, że jest naprawdę źle. Zero treści, mnóstwo plwocin wylanych na ano­ni­mo­wych i bez­oso­bo­wych “naukow­ców”.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0