nauki ścisłe
Autor: Martin Hirsch, Heinrich Päs i Werner Porod | dodano: 2013-04-22
Tajemnicze zwiastuny nowej fizyki

Komora pęcherzykowa - pierwsze neutrino

Neutrina, najdziwniejsze stwory w menażerii cząstek elementarnych, wkrótce mogą zaprowadzić nas w niezbadane regiony fizyki.

Newielu fizyków spotkał zaszczyt obwieszczenia światu o istnieniu nowej cząstki elementarnej. Kiedy Wolfgang Pauli w 1930 roku wpadł na pomysł neutrina, jego radość zaczęły mącić wewnętrzne rozterki. „Zrobiłem okropną rzecz – wyznał po latach swoim kolegom. – Zaproponowałem cząstkę, której nie da się zaobserwować.”

Neutrino naprawdę jest nieuchwytne – jego tajemnicza natura pozwala mu pokonywać niemal wszystkie bariery łącznie z materiałami, które fizycy wykorzystują do budowy detektorów. W rzeczywistości większość neutrin przechodzi na wskroś przez kulę ziemską, przeciskając się pomiędzy cząstkami, z których jest ona zbudowana. Jednak obawy Pauliego okazały się nieco przesadzone: neutrina da się wykrywać, chociaż wymaga to dużego wysiłku i eksperymentalnego sprytu.

Również inne powody sprawiają, że neutrina to najdziwniejsze spośród cząstek elementarnych. Nie współtworzą atomów, ani nie mają nic wspólnego z chemią. Jako jedyne cząstki materii nie mają ładunku elektrycznego. Są też niezmiernie lekkie – ich masa nie przekracza milionowej części masy następnego pod względem lekkości składnika materii, czyli elektronu. Neutrina również chętniej niż pozostałe cząstki ulegają metamorfozom: mogą zmieniać swoją tożsamość pomiędzy trzema rodzajami, czyli zapachami.

Od przeszło 80 lat nie przestają zdumiewać fizyków. Do dziś wiele podstawowych pytań na ich temat pozostaje bez odpowiedzi. Czy są tylko trzy rodzaje neutrin, czy może więcej? Dlaczego wszystkie neutrina są tak lekkie? Czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami? Dlaczego neutrina nieustannie ulegają przemianom?

Na całym świecie, z wykorzystaniem akceleratorów cząstek, reaktorów jądrowych, aparatury ukrytej w głębokich szybach byłych kopalni, trwają eksperymenty, które mają wyjaśnić te wątpliwości. Znalezione odpowiedzi powinny rzucić światło na wewnętrzne mechanizmy natury.

Dziwne cechy neutrin sprawiają, że są one ważnym kierunkowskazem na drodze ku tzw. wielkiej unifikacji, teorii opisującej w jednym spójnym modelu matematycznym wszystkie cząstki i oddziaływania z wyjątkiem grawitacji. Model Standardowy dla cząstek elementarnych, najdoskonalsza dziś teoria cząstek i oddziaływań, nie potrafi wyjaśnić wszystkich problemów z neutrinami i musi ulec rozszerzeniu.

Lekkie cząstki, ważkie problemy

najczęstszym sposobem włączenia neutrina do Modelu Standardowego jest wprowadzenie nowego bytu zwanego neutrinem prawoskrętnym. Skrętność to odpowiednik ładunku elektrycznego, który decyduje, czy cząstka uczestniczy w oddziaływaniu słabym odpowiedzialnym za rozpad beta (w oddziaływaniach słabych uczestniczą tylko cząstki lewoskrętne). Hipotetyczne neutrina prawoskrętne byłyby jeszcze bardziej nieuchwytne od lewoskrętnych krewniaków, czyli neutrin z Modelu Standardowego, których istnienie udowodniono eksperymentalnie. Wszystkie neutrina są leptonami – należą do tej samej rodziny cząstek elementarnych co elektrony. Oznacza to, że nie biorą udziału w oddziaływaniu silnym, które wiąże protony i neutrony w jądrze atomowym. Ponieważ neutrina nie mają ładunku elektrycznego, nie mogą również bezpośrednio „czuć” siły elektromagnetycznej. Tak więc trzy znane neutrina mogą oddziaływać za pośrednictwem siły grawitacyjnej lub słabej. Neutrina prawoskrętne nie czułyby dodatkowo oddziaływań słabych.

Jeżeli neutrina prawoskrętne istniałyby naprawdę, dałoby się wyjaśnić zagadkowo małą masę trzech rodzajów neutrin lewoskrętnych – elektronowego, mionowego i taonowego.

Uważa się, że cząstki elementarne zyskują masę dzięki oddziaływaniu z powszechnie występującym polem Higgsa. (Nazwisko Higgsa stało się szeroko znane w ubiegłym roku, kiedy to fizycy prowadzący badania za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC – Large Hadron Collider) w CERN pod Genewą obwieścili o odkryciu nowej cząstki o właściwościach zgodnych z poszukiwanym od dawna bozonem Higgsa, który jest odpowiednikiem pola Higgsa w świecie cząstek, tak samo jak foton jest odpowiednikiem pola elektromagnetycznego.) Inne cząstki oddziałują z bozonem Higgsa za pośrednictwem ładunku słabego, odpowiednika ładunku elektrycznego dla siły słabej. Ponieważ prawoskrętne neutrina nie mają ładunku słabego, ich masa nie może być wynikiem oddziaływania z polem Higgsa. Musi ona być skutkiem innego mechanizmu dostępnego przy ekstremalnie wysokiej energii, charakterystycznej dla teorii wielkiej unifikacji, który mógłby nadać prawoskrętnym neutrinom bardzo dużą masę.

Efekty kwantowe powinny wiązać neutrina prawoskrętne z lewoskrętnymi bliźniakami, prowadząc do „zarażenia” jednej cząstki masą drugiej. Jednak zaraźliwość byłaby stosunkowo niewielka: kiedy prawoskrętne neutrino chorowałoby na zapalenie płuc, u lewoskrętnego obserwowalibyśmy słaby kaszel. Masa neutrina lewoskrętnego byłaby więc mała. Taki model przekazywania masy nazwano mechanizmem huśtawki.

Alternatywne wytłumaczenie masy neutrin można zaproponować, odwołując się do supersymetrii, głównej teorii pretendującej do opisu fizyki poza Modelem Standardowym. Przewiduje ona, że każda cząstka z Modelu Standardowego ma partnera o bardzo dużej masie, który z tego właśnie powodu nie został jeszcze odkryty. Jeżeli tak byłoby naprawdę, to liczbę cząstek elementarnych należałoby co najmniej podwoić. Niewykluczone, że superpartnerzy znaleźliby się w zasięgu energii LHC, dzięki czemu można by zbadać ich właściwości.

Jednym z najbardziej interesujących wniosków z supersymetrii jest istnienie neutralina, cząstki będącej doskonałym kandydatem na składnik tzw. ciemnej materii, źródła zagadkowo wielkiej masy galaktyk i ich gromad. O istnieniu ciemnej materii świadczy grawitacja, nie da się jej zaobserwować dzięki jej świeceniu lub w jakikolwiek inny sposób. Neutralino wyjaśniałoby naturę ciemnej materii pod warunkiem, że jego czas życia byłby dostatecznie długi.

Krótki czas życia neutralina sprawiłby, że badacze ciemnej materii wróciliby do punktu wyjścia, ale ucieszyłby fizyków zajmujących się neutrinami. Trwałość neutralina powinna zależeć od hipotetycznej właściwości zwanej parzystością R, która zabrania superpartnerom rozpadać się na cząstki Modelu Standardowego. Jeżeli jednak parzystość R nie byłaby zachowana, to neutralino rozpadałoby się w sposób po części zależny od masy neutrina.

Dwóch z nas (Hirsch i Porod) razem z José Vallem z Universitat de València w Hiszpanii i Jorge C. Romão z Universidade Técnica de Lisboa w Portugalii wykazało, że zbadanie związku pomiędzy neutrinem i neutralinem powinno leżeć w zakresie możliwości LHC. Jeżeli istniałby związek między trwałością neutralina a neutrinem, to czas życia neutralina można by oszacować na podstawie znanych właściwości neutrin. Obliczenia wykazały, że supercząstka powinna istnieć dostatecznie długo, by fizycy mogli zbadać wewnątrz detektorów LHC całe jej życie od powstania do rozpadu.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 05/2013 »
Drukuj »
Komentarze
Dodany przez: Janusz | 2016-10-30
Z neutrinami jest pewnie tak jak z czastką Higgsa. Będąc jeszcze uczniem szkoły średniej doszedłem do wniosku, że różna od zera masa spoczynkowa cząstek elementarnych, to nic innego jak swoisty opór przestrzeni przeciwko czystemu pędowi będącemu źródłem ruchu. Nie jestem przekonany, że da się to sprowadzić do sprzężenia każdej materialnej cząstki z cząstką Higgsa. Ja bym wiązał raczej to z własnością przestrzeni, bardziej nielokalnie. Co więcej uważam, że cząstka Higgsa powinna się również sprzęgać w takiej sytuacji również z fotonem, grawitonem czy neutrinem. Powinna być źródłem każdej masy, również tej relatywistycznej.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
20
W 1985 r. Microsoft zaprezentował system operacyjny Windows 1.0.
Warto przeczytać
Czy znasz powiedzenie że matematykowi do pracy wystarczy kartka, ołówek i kosz na śmieci? To nieprawda! Pasjonującą, efektowną i praktyczną matematykę poznaje się dopiero w laboratorium.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Martin Hirsch, Heinrich Päs i Werner Porod | dodano: 2013-04-22
Tajemnicze zwiastuny nowej fizyki

Komora pęcherzykowa - pierwsze neutrino

Neutrina, najdziwniejsze stwory w menażerii cząstek elementarnych, wkrótce mogą zaprowadzić nas w niezbadane regiony fizyki.

Newielu fizyków spotkał zaszczyt obwieszczenia światu o istnieniu nowej cząstki elementarnej. Kiedy Wolfgang Pauli w 1930 roku wpadł na pomysł neutrina, jego radość zaczęły mącić wewnętrzne rozterki. „Zrobiłem okropną rzecz – wyznał po latach swoim kolegom. – Zaproponowałem cząstkę, której nie da się zaobserwować.”

Neutrino naprawdę jest nieuchwytne – jego tajemnicza natura pozwala mu pokonywać niemal wszystkie bariery łącznie z materiałami, które fizycy wykorzystują do budowy detektorów. W rzeczywistości większość neutrin przechodzi na wskroś przez kulę ziemską, przeciskając się pomiędzy cząstkami, z których jest ona zbudowana. Jednak obawy Pauliego okazały się nieco przesadzone: neutrina da się wykrywać, chociaż wymaga to dużego wysiłku i eksperymentalnego sprytu.

Również inne powody sprawiają, że neutrina to najdziwniejsze spośród cząstek elementarnych. Nie współtworzą atomów, ani nie mają nic wspólnego z chemią. Jako jedyne cząstki materii nie mają ładunku elektrycznego. Są też niezmiernie lekkie – ich masa nie przekracza milionowej części masy następnego pod względem lekkości składnika materii, czyli elektronu. Neutrina również chętniej niż pozostałe cząstki ulegają metamorfozom: mogą zmieniać swoją tożsamość pomiędzy trzema rodzajami, czyli zapachami.

Od przeszło 80 lat nie przestają zdumiewać fizyków. Do dziś wiele podstawowych pytań na ich temat pozostaje bez odpowiedzi. Czy są tylko trzy rodzaje neutrin, czy może więcej? Dlaczego wszystkie neutrina są tak lekkie? Czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami? Dlaczego neutrina nieustannie ulegają przemianom?

Na całym świecie, z wykorzystaniem akceleratorów cząstek, reaktorów jądrowych, aparatury ukrytej w głębokich szybach byłych kopalni, trwają eksperymenty, które mają wyjaśnić te wątpliwości. Znalezione odpowiedzi powinny rzucić światło na wewnętrzne mechanizmy natury.

Dziwne cechy neutrin sprawiają, że są one ważnym kierunkowskazem na drodze ku tzw. wielkiej unifikacji, teorii opisującej w jednym spójnym modelu matematycznym wszystkie cząstki i oddziaływania z wyjątkiem grawitacji. Model Standardowy dla cząstek elementarnych, najdoskonalsza dziś teoria cząstek i oddziaływań, nie potrafi wyjaśnić wszystkich problemów z neutrinami i musi ulec rozszerzeniu.

Lekkie cząstki, ważkie problemy

najczęstszym sposobem włączenia neutrina do Modelu Standardowego jest wprowadzenie nowego bytu zwanego neutrinem prawoskrętnym. Skrętność to odpowiednik ładunku elektrycznego, który decyduje, czy cząstka uczestniczy w oddziaływaniu słabym odpowiedzialnym za rozpad beta (w oddziaływaniach słabych uczestniczą tylko cząstki lewoskrętne). Hipotetyczne neutrina prawoskrętne byłyby jeszcze bardziej nieuchwytne od lewoskrętnych krewniaków, czyli neutrin z Modelu Standardowego, których istnienie udowodniono eksperymentalnie. Wszystkie neutrina są leptonami – należą do tej samej rodziny cząstek elementarnych co elektrony. Oznacza to, że nie biorą udziału w oddziaływaniu silnym, które wiąże protony i neutrony w jądrze atomowym. Ponieważ neutrina nie mają ładunku elektrycznego, nie mogą również bezpośrednio „czuć” siły elektromagnetycznej. Tak więc trzy znane neutrina mogą oddziaływać za pośrednictwem siły grawitacyjnej lub słabej. Neutrina prawoskrętne nie czułyby dodatkowo oddziaływań słabych.

Jeżeli neutrina prawoskrętne istniałyby naprawdę, dałoby się wyjaśnić zagadkowo małą masę trzech rodzajów neutrin lewoskrętnych – elektronowego, mionowego i taonowego.

Uważa się, że cząstki elementarne zyskują masę dzięki oddziaływaniu z powszechnie występującym polem Higgsa. (Nazwisko Higgsa stało się szeroko znane w ubiegłym roku, kiedy to fizycy prowadzący badania za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC – Large Hadron Collider) w CERN pod Genewą obwieścili o odkryciu nowej cząstki o właściwościach zgodnych z poszukiwanym od dawna bozonem Higgsa, który jest odpowiednikiem pola Higgsa w świecie cząstek, tak samo jak foton jest odpowiednikiem pola elektromagnetycznego.) Inne cząstki oddziałują z bozonem Higgsa za pośrednictwem ładunku słabego, odpowiednika ładunku elektrycznego dla siły słabej. Ponieważ prawoskrętne neutrina nie mają ładunku słabego, ich masa nie może być wynikiem oddziaływania z polem Higgsa. Musi ona być skutkiem innego mechanizmu dostępnego przy ekstremalnie wysokiej energii, charakterystycznej dla teorii wielkiej unifikacji, który mógłby nadać prawoskrętnym neutrinom bardzo dużą masę.

Efekty kwantowe powinny wiązać neutrina prawoskrętne z lewoskrętnymi bliźniakami, prowadząc do „zarażenia” jednej cząstki masą drugiej. Jednak zaraźliwość byłaby stosunkowo niewielka: kiedy prawoskrętne neutrino chorowałoby na zapalenie płuc, u lewoskrętnego obserwowalibyśmy słaby kaszel. Masa neutrina lewoskrętnego byłaby więc mała. Taki model przekazywania masy nazwano mechanizmem huśtawki.

Alternatywne wytłumaczenie masy neutrin można zaproponować, odwołując się do supersymetrii, głównej teorii pretendującej do opisu fizyki poza Modelem Standardowym. Przewiduje ona, że każda cząstka z Modelu Standardowego ma partnera o bardzo dużej masie, który z tego właśnie powodu nie został jeszcze odkryty. Jeżeli tak byłoby naprawdę, to liczbę cząstek elementarnych należałoby co najmniej podwoić. Niewykluczone, że superpartnerzy znaleźliby się w zasięgu energii LHC, dzięki czemu można by zbadać ich właściwości.

Jednym z najbardziej interesujących wniosków z supersymetrii jest istnienie neutralina, cząstki będącej doskonałym kandydatem na składnik tzw. ciemnej materii, źródła zagadkowo wielkiej masy galaktyk i ich gromad. O istnieniu ciemnej materii świadczy grawitacja, nie da się jej zaobserwować dzięki jej świeceniu lub w jakikolwiek inny sposób. Neutralino wyjaśniałoby naturę ciemnej materii pod warunkiem, że jego czas życia byłby dostatecznie długi.

Krótki czas życia neutralina sprawiłby, że badacze ciemnej materii wróciliby do punktu wyjścia, ale ucieszyłby fizyków zajmujących się neutrinami. Trwałość neutralina powinna zależeć od hipotetycznej właściwości zwanej parzystością R, która zabrania superpartnerom rozpadać się na cząstki Modelu Standardowego. Jeżeli jednak parzystość R nie byłaby zachowana, to neutralino rozpadałoby się w sposób po części zależny od masy neutrina.

Dwóch z nas (Hirsch i Porod) razem z José Vallem z Universitat de València w Hiszpanii i Jorge C. Romão z Universidade Técnica de Lisboa w Portugalii wykazało, że zbadanie związku pomiędzy neutrinem i neutralinem powinno leżeć w zakresie możliwości LHC. Jeżeli istniałby związek między trwałością neutralina a neutrinem, to czas życia neutralina można by oszacować na podstawie znanych właściwości neutrin. Obliczenia wykazały, że supercząstka powinna istnieć dostatecznie długo, by fizycy mogli zbadać wewnątrz detektorów LHC całe jej życie od powstania do rozpadu.