Redakcja: Czym jest neutrino i czemu przez długi czas było ono nieuchwytne?

Prof. Stanisław Mrówczyński: Historia neutrino zaczyna się w latach 20., kiedy zaobserwowano tzw. rozpady beta i dokonano zaskakującego spostrzeżenia, że suma energii ich produktów jest mniejsza niż energia początkowa. Fakt ten oznaczałby, że kluczowa dla fizyki zasada zachowania energii została pogwałcona, co wywołało niezwykle żywe dyskusje. Zaczęto się zastanawiać, czy mechanika kwantowa, bardzo świeża wtedy teoria, dopuszcza pogwałcenie tego fundamentalnego twierdzenia. Pojawił się jednak wielki sceptyk Wolfgang Pauli, który znalazł nieoczekiwane rozwiązanie. Zasugerował on, że brakującą energię unosi niewidzialna cząstka. Pauli, człowiek o dość szczególnej osobowości, znalazł bardzo nietypową drogę ku temu, jak swój pomysł sprzedać. Postanowił zawiadomić o nim zebranych w 1930 r. w Tybindze fizyków nie za sprawą publikacji, która wydawała się dla niego zbyt poważna, a przy pomocy zwykłego listu. W liście sformułował swoją hipotezę niewidzialnej cząstki, kończąc go uwagą, że do Tybingi przyjechać nie może, bo tego dnia wieczorem w Zurichu odbywają się tańce.

Po kilku latach stało się jasne, że hipoteza Pauliego jest słuszna, a cząstkę nazwano neutrino. Początkowo Wolfgang Pauli ochrzcił ją neutronem, ale tę nazwę nadano ostatecznie innej cząstce. Tu natomiast zastosowano włoskie zdrobnienie, dodając końcówkę –ino, tak jak np. bambino, czyli dziecko. Już po paru latach zaistniała sensowna teoria opisująca zachowanie neutrin, niemniej wciąż bardzo trudno było je zaobserwować i od czasu sformułowania hipotezy do odkrycia eksperymentalnego neutrina upłynęło aż ćwierć wieku. W tym czasie wiele się zmieniło, nauczono się przede wszystkim budować reaktory jądrowe, w których następują lawinowe rozpady beta. Wtedy tego eksperymentalnie nie dowiedziono, ale z teorii wynikało, że reaktory są wielkim, potężnym źródłem neutrin. Frederick Reines ze współpracownikami wykonał zaś eksperyment, w którym starał się zaobserwować ich obecność. Po przeprowadzeniu kilku eksperymentów ostatecznie się to udało. Wysłano wtedy telegram do Pauliego, który w odpowiedzi napisał, że „cierpliwi wygrywają”.

Hipoteza została potwierdzona, po czym nastąpił dalszy rozwój historii. Okazało się, że podobnie jak neutrino jest cząstką stowarzyszoną z elektronem, tak po odkryciu cząstki bardzo podobnej do elektronu zauważono, że ona również to neutrino posiada. Pojawił się problem, czy jest to takie samo neutrino czy może dwa różne? W rezultacie wykonany został wspaniały eksperyment, również nagrodzony Nagrodą Nobla, który pokazał, że mamy w istocie dwa typy neutrin.

Czym jest lepton tau i w jaki sposób Martin Perl doszedł do jego odkrycia?

Tutaj wkracza na arenę drugi noblista z roku 1995, Martin Perl, który odkrył trzecią cząstkę podobną do neutrina. Te odkrycia doprowadziły do ustanowienia ostatecznej listy cząstek typu neutrino, czyli leptonów. Okazało się, że mamy trzy leptony, które chodzą parami. Elektron i neutrino elektronowe, jon i neutrino jonowe oraz tau i neutrino taonowe. Później w latach 60. zaczął się kształtować tzw. model standardowy mikroświata, czyli model będący sumą naszej wiedzy o najprostszych strukturach materii i siłach, które nimi rządzą. Cząstki grupujemy tam w trzy zespoły. W pierwszym z nich cząstki materii dzielą się na dwie części. W jednej mamy właśnie leptony, do których ustanowienia i zrozumienia własności przyczynili się nobliści. Drugą grupą są zaś kwarki, tworzące w szczególności jądra atomowe. I tak jak istnieją trzy pary leptonów, istnieją też trzy pary kwarków.

Można się zastanawiać, dlaczego nagrodę przyznano Reinesowi i Perlowi w 1995. Otóż w tym samym roku odkryto szósty, ostatni kwark do pary. Wydaje mi się, że Komitet Noblowski dokonał wówczas swoistego remanentu nagród. Przyznano Nobla za piękny eksperyment, który rozróżnił dwa neutrina, czyli pokazał, że mamy do czynienia z dwoma, a później nawet trzema ich typami. Wcześniej z kolei wręczono nagrodę za odkrywanie kwarków, ale wciąż brakowało nagrody za samo odkrycie neutrin, a bardzo ważne były pod tym względem prace Perla. Po tym, jak w 1995 r. model stał się niemal kompletny, zdecydowano się nagrodzić właśnie tych dwóch fizyków.

Później historia nieco zwolniła, ponieważ w owym czasie wciąż brakowało jednej cząstki modelu standardowego, tzw. bozonu Higgsa. Nie mieści się ona ani w kategorii cząstek materii ani w kategorii nośników oddziaływań, czyli cząstek odpowiedzialnych za występowanie sił w przyrodzie. Jest jednak szczególna, ponieważ wiąże jakby obie te grupy i co niezwykle ważne, za sprawą efektu występowania tzw. mechanizmu Higgsa nadaje cząstkom masę. Do potwierdzenia istnienia bozonu Higgsa należało poczekać aż do uruchomienia w Europejskim Centrum Badań Jądrowych największego urządzenia badawczego zbudowanego przez człowieka, czyli Wielkiego Zderzacza Hadronów oraz przeprowadzenia eksperymentów w 2011 i 2012 r.

Oglądaj całość