Neutrino – tajemnicza cząstka - Pozwól, że wyjaśnię

Czas czytania w minutach: 4

Otaczają nas i przenikają, choć nie spajają Galaktyki w jedną całość. Wręcz przeciwnie – choć przez Twoje ciało przenika ich około 100 trylionów na sekundę, niemal nie oddziałują z materią. A na dodatek, niczym wampiry, nie odbijają się w lustrze. Powitajcie bohatera dzisiejszego odcinka – neutrino!

Jak działa neutrino?

Neutrino jest cząstką elementarną, która ma bardzo ciekawe właściwości. Przede wszystkim – nie ma żadnego ładunku elektrycznego. Oznacza to, że nie podlega oddziaływaniom elektrostatycznym z naładowanymi cząstkami. Pod tym względem neutrino jest więc podobne do neutronu, który z resztą przypomina nazwą¹. Poza tym jest bardzo małe i lekkie – około 100.000 razy lżejsze niż kolejna w szeregu cząstka, czyli elektron. W związku z tym na oddziaływania grawitacyjne też za bardzo nie ma szansy. Oddziaływania słabe mają bardzo mały zasięg, co połączone z niewielkim rozmiarem neutrina oznacza, że musiałoby trafić dokładnie w drugą cząstkę, żeby nawiązać z nią interakcję. Z kolei w oddziaływaniach silnych neutrino w ogóle udziału nie bierze. Innymi słowy – szanse na oddziaływanie neutrina z czymkolwiek są bardzo, bardzo małe. I stąd też tak astronomiczna liczba neutrin, o której wspomniałem we wstępie, może swobodnie przez nas przenikać, nie robiąc nam żadnej krzywdy. Ale skąd w takim razie się w ogóle o neutrinach dowiedzieliśmy?

Z matematyki. I słynnego równania E=mc². Otóż naukowcy obserwowali rozpad radioaktywny typu beta i stwierdzili, że matematyka im się nie zgadza. Po podliczeniu całości energii układu okazywało się, że jej niewielki ułamek gdzieś się gubi. Po upewnieniu się, że to nie jest błąd ani w pomiarach, ani w matematyce, mieli do wyboru dwie opcje. Musieli uznać, że pierwsze prawo termodynamiki², na tym poziomie nie obowiązuje, bądź też zaproponować istnienie nowej cząstki. Jako że prawa termodynamiki były dość dobrze ugruntowane, Pauli stwierdził, że być może jest jakaś, dotychczas nie wykryta, cząstka, która po rozpadzie oddala się, zabierając część energii. Szybko dało się ustalić jej podstawowe właściwości – bardzo mała i lekka, elektrycznie obojętna… I dlatego też Fermi nadał jej nazwę neutrino, czyli włoskie zdrobnienie neutronu.

Jak wykryć neutrino?

Wykrycie tego neutrina to była zupełnie inna historia. Sam Pauli mówił “Co ja narobiłem, zaproponowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć”. Nie miał jednak racji – w końcu udało się neutrino wykryć. Sam eksperyment był jednak dość skomplikowany. Wykorzystywał reaktor jądrowy jako źródło neutrin. Sercem samego detektora był pojemnik z wodnym roztworem chlorku kadmu, oraz dwa liczniki scyntylacyjne, standardowo wykorzystywane do detekcji promieniowania jonizującego.

I teraz zaczyna sie komplikacja: czasem, bardzo rzadko, neutrino zderzając się z protonem, powoduje coś, co wygląda jak odwrócony rozpad typu beta³. To z kolei owocuje powstaniem pozytonu – cząstki antymaterii – oraz neutronu. Pozyton błyskawicznie ulega anihilacji, emitując przy tym dwa fotony o ściśle określonej energii. Neutron zaś mgnienie oka później zderzy się z jądrem kadmu, prowadząc do emisji kolejnego fotonu o innej energii. I właśnie ta sekwencja wydarzeń: wykrycie dwóch fotonów o określonych energiach w tym samym momencie po dwóch stronach pojemnika, a następnie po krótkiej przerwie trzeci foton o innej określonej energii, było dowodem na istnienie neutrin.

Inne metody

Dziś często stosuje się w tym celu inne metody. Przede wszystkim – bazujące na wodzie. Dużych ilościach bardzo czystej wody. Wykrywamy nimi głównie neutrina pochodzące ze Słońca. W jaki sposób? Trzeba tu sobie przypomnieć promieniowanie Czerenkowa, o którym już kiedyś pisaliśmy. W skrócie – naładowane cząstki, poruszając się szybciej niż światło w danym ośrodku, emitują promieniowanie. A to promieniowanie możemy wykryć.

Tylko że oczywiście neutrina nie są naładowane, więc skąd promieniowanie Czerenkowa? Otóż z oddziaływań. Zdarza się, ze neutrino wybije elektron z atomu, nadając mu szybkość relatywistyczną. Zdarzają się też inne, ciut bardziej egzotyczne przemiany, których owocem jest, tak czy inaczej, bardzo szybka naładowana cząstka. I promieniowanie wokół tej cząstki właśnie wykrywamy. Marzyło się Wam bezpośrednie wykrywanie neutrin? Nie ma tak dobrze, dowody pośrednie muszą nam wystarczyć. A i tak detektor waha się skalą od “wielkiego”, na który składają się tysiące litrów wody, do “wprost olbrzymiego”, czyli IceCube. Ten ostatni bazuje na bloku antarktycznego lodu o wielkości… kilometra sześciennego.

^{Zdjęcie Słońca zrobione na przestrzał przez Ziemię, poprzez detekcje neutrin. /APOD, R. Svoboda and K. Gordan (LSU)}

Neutrino – skąd się bierze?

Ale skąd w ogóle te neutrina pochodzą i dlaczego tak nam zależy na tym, żeby je wykryć? Cóż, pochodzą z reakcji jądrowych. Takich właśnie, jak zachodzą w reaktorach czy w gwiazdach. Co więcej, neutrina występują w trzech rodzajach – elektronowym, mionowym i taonowym. Żeby było jeszcze ciekawiej – te rodzaje⁴ neutrin mogą przechodzić jedno w drugie. I wszystkie, ze względu na swoją minimalną masę, poruszają się niemal z prędkością światła.

Ale dlaczego w ogóle chcemy je obserwować? Ze względy na informacje, które niosą. Z jednej strony neutrina kosmiczne, które zostały wygenerowane bardzo, bardzo daleko od Ziemi, ze względu na minimalne oddziaływania, mają większą szansę dolecieć do Ziemi niż inne cząstki, takie jak fotony. Możemy się więc dzięki nim dowiedzieć co się działo miliardy lat świetlnych od nas – a zatem miliardy lat temu, gdy Wszechświat był jeszcze młody.

A z drugiej strony jest to kwestia zwiadu, a wręcz bezpieczeństwa narodowego. Tu słowem kluczowym jest „reaktor jądrowy”. Słyszeliście pewnie o tym, że Japończycy swoje reaktory powoli włączają, Niemcy swoje wyłączyli, ale opozycja już mówi, że po powrocie do władzy też je włączy… mówi się też o reaktorach w Korei czy Iranie. Niektórzy się swoimi reaktorami chwalą, inni wręcz przeciwnie, chcieliby swoje reaktory ukryć najbardziej, jak się da.

A neutrina na to nie pozwolą. Dziś jesteśmy w stanie zrobić zdjęcie Słońca na przestrzał przez całą Ziemię, wykorzystując właśnie emitowany przez nie strumień neutrin. I pojawiły się już artykuły opracowujące teoretycznie nie tylko metodę zastosowania wykrywaczy neutrin nie tylko do stwierdzenia, kiedy i gdzie jakiś reaktor został włączony, ale nawet ile plutonu znajduje się w jego rdzeniu. A na tę metodę żaden lokalny autokrata nic nie poradzi.

Takie małe i takie wszechobecne. Niemal niewykrywalne, ale wykryte – mogą nam opowiedzieć odległym wszechświecie i o bezpieczeństwie jądrowym. Czyż neutrino nie jest fascynujące?

Źródła

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!

Jak działa neutrino?

Jak wykryć neutrino?

Inne metody

Neutrino – skąd się bierze?

Źródła

Powiązane wpisy: