Nobel za oscylacje neutrin – krótko i chyba przejrzyście

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.

Chiralność cząstki elementarnej

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 oscylują między trzema wersjami

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.

neutrino waz

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.

Promieniowanie kosmiczne – największy problem Marsa Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [wyniki ankiety] 7 cudów naukowego świata