polskienglish Uniwersytet Wrocławski
Zakład Fizyki Neutrin
pl. M. Borna 9, 50-204 Wroclaw, tel: +48-71-375-9408, fax: +48-71-321-4454

O Neutrinach dla Każdego...



I am confidnet that the future of the neutrino physics
will be as exciting and friutful as the past has been.
Frederick Reines, 1995, wykład noblowski





Wstęp

Fizyka neutrin liczy sobie już ponad 80 lat! Poznanie własności neutrin, boskich posłańców sił natury, jest kluczowe dla zrozumienia podstawowych praw natury dlatego planowane są wciąż nowe eksperymenty. Nieuchwytne neutrina wciąż stanowią dla fizyków zagadkę, którą rozwikłać starać się będą kolejne pokolenia fizyków.

Niniejsza strona skierowana jest do wszystkich zainteresowanych fizyką, zawiera ona zbiór podstawowych informacji na temat własności neutrin oraz faktów historycznych.





Neutrina - cząstki elementarne

Z punktu widzenia bieżącego stanu wiedzy, wydaje się, że istnieje tylko kilka naprawdę elementarnych składników, z których zbudowany jest otaczający na świat. Są nimi kwarki oraz leptony. Z kwarków zbudowane są hadrony np. protony, czy neutrony, a więc także jądra atomowe.
Atom (patrz rysunek z boku) zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra, zawierającego protony (niebieskie kulki) i neutrony (szare kulki), otoczonego chmurą elektronów.
W tabeli powyżej kwarki pogrupowano trzy pary, każdą z tych par nazywamy rodziną. Okazuję się, że każdej parze kwarków odpowiada para leptonów (l, ν).
Leptonami są: elektron, jego cięższy brat mion (μ) oraz najcięższy przedstawiciel taon (τ). Cząstki te mają ładunek +1 |e|.
Leptony podobnie jak kwarki możemy pogrupować w pary. I tak partnerem elektronu jest tzw. neutrino elektronowe νe, natomiast partnerem mionu i taonu są odpowiednio neutrina mionowe (νμ) i taonowe (ντ).
Mamy zatem trzy rodziny leptonowe: Kwarki i leptony są Fermionami zatem z każda cząstka posiada odpowiednio antycząstkę, czyli cząskę o dokładnie przeciwnych własnościach (przeciwny ładunek, spin). Istnieje elektron e- pociąga za sobą istnienie pozyton e+ jego antycząstki. Należy zaznaczyć, że w przypadku neutrin, istnienie antycząstek, może być nieco kłopotliwe (patrz). Fizycy zwykle oznaczają antycząstkę danej cząski q przez q. I tak antyneutrino będziemy oznaczać przez ν.

Podsumowując: mamy 12 kwarków i 12 leptonów (wraz z antycząstkami). Wydaję się, że to prawie wszystkie składniki, z których zbudowana jest otaczająca nas materia (poza tzw. ciemną materią...).

Leptony są cząstkami, które mogą swobodnie poruszać się w przestrzeni. Kwarki natomiast nie występują swobodnie. Są one zawsze związane tworząc bardziej złożone cząstki takie jak proton czy neutron.
Aby uzupełnić obraz fundamentalnych cegiełek natury należy wymienić cząstki, które przenoszą oddziaływania pomiędzy leptonami i kwarkami. Znamy cztery fundamentalne siły natury i wiążemy z nimi cztery cząstki pośredniczące: Kilka liczb:
Siła, z jaką dwie cząstki oddziałują silnie jest stukrotnie większa niż siła elektrostatyczna, natomiast oddziaływania słabe są 10 000 razy słabsze, niż elektromagnetyczne. Najsłabsze jest oddziaływanie grawitacyjne, około 1039 razy mniejsze niż oddziaływania silne.

Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe opisuję model standardowy (patrz), natomiast - oddziaływania silne chromodynamika kwantowa. Siły grawitacji wciąż najlepiej i najpełniej opisuje ogólna teoria względności sformułowana przez Alberta Einsteina w 1915 roku.





Krótka charakterystyka neutrin

Neutrina są cząstkami neutralnymi, oznacza to, że nie są obdarzone ładunkiem elektrycznym. Są cząstkami niezmiernie lekkimi. Istotnie ich masy są dużo mniejsze niż masy kwarków, czy nawet masa elektronu. Neutrina tak jak i kwarki oraz naładowane leptony są fermionami, charakteryzującymi się spinem 1/2. Oddziałują z materią poprzez wymianę bozonów: Z, W-, W+. Oddziaływania te są tak słabe, że uczeni wątpili w ich pomiar. W 1934 roku Hans Bethe i Rudolf Peierls (Nature, 133, 532) wyliczyli, że aby złapać neutrino o energii kilku milionów elektronowoltów, należałoby zbudować zbiornik z ciekłym wodorem o długości 1000 lat świetlnych!!!





Jak pojawiło się neutrino; czyli jak ratowano zasade zachowania energii

Istnienie neutrin, najlżejszych znanych cząstek elementarnych, po raz pierwszy zostało zaproponowane, w 1930 roku, przez słynnego fizyka teoretyka, austriackiego pochodzenia, Szwajcara Wolfganga Pauliego. W tamtym okresie fizycy zmagali się z wyjaśnieniem rozpadu beta, a dokładnie ze zrozumieniem spektrum energetycznego, mierzonego w tym procesie. W rozpadzie beta neutron, będący składową jądra atomowego zamienia się w proton, a jądro ''wypluwa’’ na zewnątrz elektron. Badając tą reakcję eksperymentatorzy mierzyli rozkład energii ‘’wyplutych’’ elektronów. Okazało się, że był on inny niż przypuszczano. Spodziewano się ustalonej energii elektronu (patrz rysunek z boku). Jednak mierzony rozkład był zupełnie inny. Wynik ten sugerował, że w procesie nie jest zachowana energia, bądź, że bierze w nim udział nowa niewidzialna cząstka.
Pauli chcąc ratować zasadę zachowania energii, zapostulował istnienie hipotetycznej cząstki. Musiała być ona elektrycznie neutralna, bardzo lekka i charakteryzować się spinem 1/2. Cząstkę tą nazwał neutronem. Dwa lata po zaproponowaniu przez Pauliego istnienie ''neutronu'' James Chadwick odkrył neutron (neutralnu odpowiednik protonu), który był za ciężki by rozwiązać problem spektrum ropadu beta. Wówczas Enrico Fermi zaproponował by lekka neutralna cząstka Pauliego nazywanan była neutrinem (z włoska: małe neutralne).

Należy mieć świadomość, że hipoteza Pauliego nie poparta była żadnymi dodatkowymi faktami doświadczalnymi i prawdopodobnie sam Pauli nie wierzył w istnienie neutrin. Jego propozycja nie ukazała się w oficjalnym artykule, ale w liście skierowanym do ”kolegów radioaktywnych”.





Doświadczenie Reinesa i Cowena

Dopiero po ponad dwudziestu latach od hipotezy Pauliego, w roku 1954 Frederick Reines i Clyde Cowen przeprowadzili doświadczenie, które potwierdziło istnienie neutrin (Nature 178, 446). Źródłem neutrin, a właściwie antyneutrin był reaktor jądrowy Savannah River o mocy 700 megawatów, w Karolinie Południowej (USA). Jedenaście metrów od reaktora umieszczono detektor, urządzenie ‘’łapiące cząstki’’. W tym eksperymencie był to zbiornik zawierający 370 galonów (1400 litrów) scyntylatora (wody z chlorkiem kadmu). Reaktor emitował 10 do 13 neutrin na cm2 na sekundę. W wyniku oddziaływania antyneutrina z substancją scyntylatora powstawał pozyton, który bardzo szybko był anihilowany przez elektron. W ten sposób powstawały dwa fotony - dwa błyski światła. Podczas oddziaływania antyneutrina ze scyntylatorem powstawał także swobodny neutron, który był wychwytywany przez jądro kadmu, które po chwili emitowało kolejny błysk światła. Ten drugi błysk następował w odstępie około 5,5 mikrosekundy po pierwszym. Dla obydwu błysków znano energie emitowanych fotonów.

Podsumowując, gdy antyneutrino reaktorowe zechciało oddziaływać z detektorem, Reines i Cowen rejestrowali dwa błyski światła w krótkim odstępie czasu. Doświadczenie zakończyło się sukcesem, i między innymi za ten eksperyment Frederick Reinses otrzymał w 1995 roku nagrodę Nobla.





Kalendarz neutrinowy

Własności neutrin są nieprzerwanie badane od lat pięćdziesiątych dwudziestego wieku. Dziś wiemy, że nie istniej więcej niż trzy aktywne rodziny leptonów (analiza rozpadu bozonu Z0). Aktywne nutrina to takie które oddziałują z materią.





Trzy zapachy

Skąd wiemy, że istnieją neutrina o różnych zapachach (elektronowe, mionowe i taonowe)?

Wyobraźmy sobie rozpad beta. W procesie tym powstaje zawsze neutrino i elektron. Okazuję się, że tak powstałe neutrino oddziałując z detektorem znajdującym się w sąsiedztwie prawie zawsze (dlaczego prawie? patrz) spowoduje pojawienie się ponownie kolejnego elektronu. Oczywiście ten przykład jest nieco wyidealizowany. Neutrina zwykle nie oddziałują z ośrodkiem, a jeśli oddziałują, to nie zawsze powodują pojawianie się cząstek naładowanych...

Ogólnie rzecz biorąc można powiedzieć, że jeśli w wyniku oddziaływania neutrina z detektorem powstanie elektron, to wówczas powiemy, że oddziałujące neutrino było neutrinem elektronowy. Jeśli natomiast powstanie mion, lub taon to powiemy, że mieliśmy do czynienia z neutrinami mionowymi lub taonowymi.
Okazuje się, że w większości obserwowanych procesów zachowana jest tzw. liczba leptonowa w ramach każdej z rodzin leptonowych. To znaczy, że jeśli dla przykładu policzymy liczbę elektronów, pozytonów, neutrin i antyneutrin elektronowych przed zajściem danego procesu to ta liczba powinna się zgadzać z tą po oddziaływaniu. Liczymy według zasady: elektron (+1), pozyton (-1), neutrino elektronowe (+1) i antyneutrino elektronowe (-1).

Przykład:
νe + n → e- + p
1 + 0 → 1+0
Przed oddziaływaniem mamy tylko jedno neutrino elektronowe, po oddziaływaniu mamy jeden elektron. Przykład:
n → νe + e- + p
0 → -1 + 1 + 0
W rozpadzie beta, liczba leptonowa przed zajściem reakcji wynosi zero i po rozpadzie jak łatwo zauważyć nie zmienia się.

Podobne prawa zachowania zachodzą dla rodziny mionowej i taonowej.




Dirac albo Majorana

Z rozważań fundamentalnych wynika, że cząstkę neutralną o spinie 1/2 można opisać równaniem Diraca lub Majorany. Pierwszy z równań zostało sformułowane przez słynnego angielskiego fizyka, teoretyka Paula Diraca aby opisać relatywistyczny elektron. Drugi opis zaproponował Ettore Majoran, włoski geniusz i ekscentryk, który zauważył, że cząstki neutralne można także opisywać matematycznie nieco innaczej niż model Diraca. Na dzień dzisiejszy nie ma zadowalających faktów eksperymentalnych, które pozwalają rozstrzygnąć, który z opisów jest bliższy rzeczywistości. Ktoś uważny zauważy, że w jednym przypadku mamy zachowanie liczby leptonowej, a w drugim nie. Ale wyżej zostało napisane, że liczna leptonowa jest zachowana! Jak wyjaśnić ten paradoks?


Cząstki elementarne mogą się charakteryzować pewną ciekawą liczbą kwantową zwaną skrętnością. Z badań eksperymentalnych wiemy, że neutrina są zawsze lewoskrętne, a antyneutrina prawoskrętne. Z drugiej strony, leptony ujemnie naładowane są lewoskrętne, a leptony dodatnio naładowane prawoskrętne. I w przypadku neutrin Diraca i Majorany skrętność jest wielkością zachowaną, zatem opierając się tylko o tą zasadę można wytłumaczyć wszystkie obserwowane procesy neutrinowe. Okazuję się, że wnioski wypływające z tej zasady pokrywają się tymi, które wynikają z zasady zachowania liczby leptonowej.

Zasada zachowania skrętności jest zilustrowana na rysunku z boku. W pierwszym z procesów, pion dodatni, cząstka zbudowana z kwarka i antykwarka, rozpada się na mion dodatni i neutrino mionowe. W układzie spoczynkowym pionu całkowita skrętność jest równa zeru. Neutrino wiruję w lewo, mion dodatni w prawo. Następnie neutrino oddziałując z detektorem powoduje powstanie mionu ujemnego, który jest lewoskrętny. Drugi przykład to rozpad pionu ujemnego na lewoskrętny mion ujemny i prawoskrętne antyneutrino mionowe.

Czy istnieje eksperymentalna możliwość rozstrzygnięcia, który z opisów jest właściwszy? Tak, jest taki proces! Gdyby neutrina miały naturę Majorany to możliwy byłby bezneutrinowy, podwójny rozpad beta. Fizycy od lat próbują zmierzyć taki proces, ale jak dotąd nikomu się to nie udało.





Oscylacje

Najbardziej spektakularną i wciąż badaną własnością neutrin, są tzw. oscylacje. Jest to zjawisko, które w pewnym sensie burzy zasady wprowadzone w paragrafie powyżej.

Jeśli założymy, że neutrina są cząstkami masywnymi to z punku widzenia mechaniki kwantowej możemy powiedzieć, że dane neutrino jest mieszaniną trzech stanów zapachowych. Zatem z pewnym prawdopodobieństwem jest ono elektronowe, mionowe, lub taonowe. Należy zaznaczyć, że ten efekt NIE ZACHODZI dla bezmasowych neutrin.

Dzieki temu, że neutrino jest mieszaniną trzech stanów zapachowych zachodzi zjawisko oscylacji, zilustrowane na rysunku z boku. Wyobraźmy sobie, że mamy źródło neutrin mionowych, np. akcelerator, wysyłające w pewnym kierunku wiązke neutrin. Okazuje się, że po pewnym czasie, gdy neutrino mionowe pokona pewien dystans, jest wielce prawdopodobne, że zmieni swój zapach i stanie się neutrinem taonowym.

Po raz pierwszy hipoteza oscylacji neutrin zostały zaproponowana przez włoskiego fizyka Bruno Pontecorvo. Pomysł pojawił się w czasach, gdy nie wiedziano, że istnieje więcej rodzajów neutrin. Obserwowano natomiast oscylacje (przechodzenie jednej cząstki w drugą) neutralnych kaonów (cząstek zbudowanych z dwu kwarków). Pontecorvo zaproponował istnienie tego samego zjawiska w przypadku neutrin. Jego pierwszy pomysł to oscylacje neutrin w antyneutrina. Sformułowanie zjawiska oscylacji, takie jak znamy dzisiaj Pontecorvo zaproponował dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku.

Teoretyczny pomysł pozostałby tylko ideą na kartce papieru gdyby nie fakty doświadczalne. Zjawisko oscylacji neutrin stało się istotne w wytłumaczeniu tzw. problemu neutrin słonecznych i anomalii neutrin atmosferycznych.
Problem neutrin słonecznych:
Ostatecznie problem neutrin słonecznych został rozstrzygnięty przez eksperyment SNO, natomiast anomlie neutrin atmosferycznych w pełni wyjaśnił eksperyment SuperKamiokande.

Warto zauważyć, że oscylacje neutrin zachodzą wtedy i tylko wtedy gdy neutrina są masywne. Jak dotąd nie udało się ''zważyć'' neutrina, zatem jedynym eksperymentalnym dowodem masywności neutrin wciąż pozostają pomiary oscylacyjne.

Aby zbadać jakościowo oscylacje neutrin należy dysponować źródłem neutrin, oraz detektorem, umieszczonym w znanej odległości od źródła. Prawdopodobieństwa przejścia jednego zapachu neutrina w drugie, zależy od odległości pomiędzy źródełm i detektorem, oraz od różnicy mas pomiedzy stanami masowymi neutrin i tzw. kątów oscylacji. W związku z tym z pomiarów oscylacyjnych doświadczalnicy uzyskują wartości kątów oscylacyjnych i różnice mas pomiedzy stanami neutrinowymi.
Oscylacje neutrin badane są dla różnych odległości pomiędzy detektorem i źródłem. Zwykle wybiera się odległość tak by maksymalizowć prawdopodobieństwo oscylacji.

Wyszczególniamy dwa typy eksperymentów: krótkiej bazy, i długiej bazy. W przypadku tych pierwszych detektor jest umieszczony niedaleko źródła, w przypadku tych drugich odległość pomiędzy źródłę i detektorem może wynosić nawek kilkaset kilometrów.





Masa neutrin

Do tej pory nie udało się zmierzyć bezpośrednio masy neutrin. To, że są na pewno masywne wynika z tego, że obserwujemy zjawisko oscylacji.

Jak zmierzyć masę neutrin?

Metoda jest tak stara jak hipoteza istnienia neutrin, bowiem źródłem informacji o masie neutrin elektronowych jest spektrum energetyczne elektronów ''wyplutych'' z jądra podczas rozpadu beta. Na rysunku z boku widzimy wyidealizowane spektrum dla neutrina bez masy (linia czerwona przerywana) i modyfikację tego rozkładu w przypadku, gdy neutrino jest masywne. Efekt masy obniża maksymalną dozwoloną energię ''wyplutych'' elektronów. Namierzenie tego obcięcia jest niezmiernie trudne, w związu z tym, że neutrina są niezmiernie lekkie. W podobny sposób można próbować wyznaczyć masę neutrina mionowego i taonowego. W przypadku neutrina mionowego analizuję się np. rozpad pionu, dla neutrin taonowych naturalnym jest badanie rozpadu taonu.

Jak do tej pory dysponujemy tylko oszacowaniami z góry mas neutrin, zależą one od modelu teoretycznego. Jednak wydaję się, że neutrin są lżejsze niż 5x10-2eV.
Dlaczego masy neutrin są tak małe?

Odpowiedź na to pytanie jest równie kłopotliwa jak próba wyznaczenia masy neutrina. Wydaje się, że jednym z głównych celów fizyki cząstek elementarnych w nadchodzących latach, jest zrozumienie dlaczego neutrina są tak lekkie, a przedewszystkim dlaczego ich masy są wyraźnie mniejsze od mas pozostałych cząstek elementarnych, kwarków i leptonów naładowanych? Zobacz poglądowy rysunek z boku, zauważ, że skala jest logarytmiczna!.





Model standardowy


Pierwszy model teoretyczny, który opisywał oddziaływanie neutrin z materią, został zaproponowany przez Enrico Fermiego w 1933 roku. Był to model rozpadu beta. Ten model był sukcesywnie rozwijany, i po kilkunastu latach badań, pozwalał opisywać nie tylko oddziaływanie neutrin z nukleoniami, ale także słabe oddziaływanie pomiędzy hadronami.

Istotnym wkładem do zrozumienia oddziałyawń słabych, było odkrycie przez Richarda Feynmana i Murraya Gell-Manna tzw. hipotezy zachowania prądu wektorowego (Phys. Rev. 109 (1958) 193). Jak pisał po latach R. Feynman w książce Pan raczy żartować Feynman, było to jedyne prawo fizyczne które odkrył. Prawo to pozwalało związać ze sobą oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Mianowicie wyrazić pewne wkłady do amplitud na oddziaływanie słabe poprzez ich elektromagnetyczne odpowiedniki.

Model Fermiego był efektywnym podejściem, pozwalającym jakościowo opisać wiele procesów fizycznych. Jednak od początku było wiadomo, że z punktu widzenia teoretycznego nie spełniał on podstawowych własności teoretycznych. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku powstało co najmiej kilka alternatywnych modeli odtwarzających bieżący stan wiedzy eksperymentalnej. Chodziło o opis przede wszystkim oddziaływań słabych, w których następuje wymiana ładunku pomiędzy zderzającymi się cząstkami.

W latch 1961-68, Steven Weinberg, Abdus Salam i Sheldon Glashow zaproponowali model, który nie tylko potrafił zadowaljąco odtworzyć ówczesny stan wiedzy, ale przewidywał istnienie dodakowych procesów, tzw. oddziaływań poprzez prądy neutralne. Krótko po opublikowaniu prac teoretycznych Carlo Rubbia ze współpracownikami odkrył taki proces.

Model Winberga-Salama-Glashowa, nazywany modelem standardowym, jest dziś uznawany za bardzo dobrze opisujący świat oddziaływań elektrosłabych. W opisie tym, w naturalny sposób pojawiają sie rodziny kwarków i leptonów. Model ten naturalnie unifikuje oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Oddziaływania słabe są przenoszone przez trzy bozony pośredniczące: bozony naładowane W+, W- oraz bozon neutralny Z0. Jedyną nieodkrytą cząstką przewidywaną przez opis, jest cząstka Higgsa. Jej istnienie jest kluczowe dla całej struktury modelu.

Przykładowe procesy przewidywane przez model standardowy pokazuje rysunek z boku. Przez n oznaczono kwarki (d,s,b), a przez p kwarki (u,c,t), natomiast e oznacza ujemnie naładowane leptony (elektron, mion, taon).


Jak złapać neutrino

Jak wspomniałem wyżej neutrino słabo oddziałuje z materią, ma małą masę i nie posiada ładunku. Brak ładunku jest szczególnie istotny. Przez lata rozwoju fizyki doświadczalnej fizycy wypracowali bardzo precyzyjne metody pozwalające mierzyć - ''widzieć'' - cząstki naładowane, określać ich energię, ładunek, masę.

Neutrino jest cząstką neutralną, więc praktycznie niewidzialną dla detektorów. Jedynie co możemy zobaczyć, zmierzyć, to produkty oddziaływania z materią detektora. Idea pomiaru polega na tym, by: Należy pamiętać, że fizycy neutrinowi stosunkow słabo znają energię neutrin oddziałujących z detektorem. To zasadniczo komplikuję analizę pomiarów rozproszeniowych.
W początkowej fazie rozwoju fizyki neutrin, korzystano głównie ze źródeł naturalnych (neutrin słonecznych, atmosferycznych) oraz neutrin reaktorowych. Dzisiejsze eksperymentym oraz wciąż z neutrin reaktorowych. Neutrina akceleratorowe, powstają w wyniku zderzania protonów z tarczą (np. grafitiwą). W przypadku tych neutrin znacznie łatwiej jest skupić wiązke neutrin i skierowac w wybranym kierunku, lepiej jest także znana energia neutrin. Należy jednak zaznaczyć, że każde ze źródeł neutrin charakteryzuję się innym rizkładem energii, w związku z tym korzystanie ze wszystkich źródeł pozwala pełniejsze badanie własności neutrin.





Eksperymenty neutrinowe





Literatura

© copyright 2016 k.m.graczyk