Redakcja: Czym są neutrina i co było o nich wiadomo do momentu odkryć Kajity i McDonalda?

Dr hab. Justyna Łagoda: Neutrina należą do cząstek elementarnych, czyli podstawowych elementów materii. Można powiedzieć, że są one cząstkami specyficznymi, ponieważ jako jedyne podlegają wyłącznie jednym oddziaływaniom, tzw. oddziaływaniom słabym. Oznacza to, że inaczej niż np. kwarki, nie łączą się w struktury takie jak protony i neutrony, nie krążą wokół jądra atomowego, jak robią to elektrony, ani nie podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym. Neutrina mogą więc np. przelecieć przez kulę ziemską praktycznie bez żadnego oddziaływania. Aby mieć pewność, że neutrino się zatrzyma należałoby postawić na jego drodze blok ołowiu o grubości kilku lat świetlnych.

Neutrina występują w trzech tzw. zapachach. W czasie oddziaływań towarzyszy im z reguły powstanie leptonu o tym samym zapachu, czyli neutrino elektronowe pojawia się często z elektronem, neutrino mionowe z cząstką, która nazywa się mion, a neutrino taonowe z cząstką o nazwie taon. Istnieją także trzy antyneutrina, cząstki postulowane jeszcze przed wojną przez Wolfganga Pauliego, ale odkryte dopiero po wojnie, kiedy wykorzystano źródło neutrin, jakim jest reaktor atomowy i udało się je zaobserwować w detektorze. Od tamtej pory wiemy, że neutrino faktycznie istnieje. W latach 60. okazało się, że istnieją dwa zapachy, za co również została przyznana Nagroda Nobla, no i w końcu, w latach 90. zeszłego wieku przekonaliśmy się też o istnieniu trzeciego neutrina.

Tak więc przed odkryciem Kajity i McDonalda wiedzieliśmy, że neutrina istnieją. Mieliśmy zmierzony tzw. przekrój czynny, czyli szanse na to, jak często one oddziałują oraz szukaliśmy neutrin z różnych źródeł, ponieważ neutrina mogą być wyprodukowane w Słońcu, przy wybuchu supernowej, jeżeli akurat taki wybuch nastąpi, są produkowane w dużych ilościach w reaktorach, ale również w atmosferze ziemskiej.

Na czym polegała „zagadka neutrin” i jak Nobliści z 2015 r. doszli do jej rozwiązania?

Pomiary neutrin słonecznych spowodowały, że neutrinami zaczęto interesować się jeszcze bardziej, ponieważ model Słońca z XX w. zakładał, że w procesach termojądrowych, zachodzących w jego wnętrzu, powinna powstawać pewna określona liczba neutrin elektronowych, możliwych do zaobserwowania na Ziemi. Po przeprowadzeniu różnych eksperymentów, które miały ten strumień neutrin wykryć okazało się, że choć rejestrują one neutrina słoneczne, to ich ilość wynosi zaledwie 1/3 tego, co wspomniany model przewidywał. Powstało więc pytanie, czy nasz model Słońca jest zły, neutrina po drodze się rozpadają, czy może dzieje się z nimi coś jeszcze innego?

Zagadka pozostawała nierozwiązana przez dobrych kilkadziesiąt lat, do czasu, kiedy Arthur McDonald jego współpracownicy wpadli na pomysł, żeby zbudować detektor, który byłby w stanie wykrywać nie tylko neutrino elektronowe, ale również neutrina innych typów. Żeby zrozumieć, jak to się dzieje musimy wspomnieć, że neutrina mogą oddziaływać produkując lepton naładowany. Tak jak wspomniałam, neutrino elektronowe produkuje elektron, neutrino mionowe - mion, a neutrino taonowe - taon. Mogą one jednak także oddziaływać  pozostając nadal neutrinem. Tak więc lecące neutrino uderza np. w elektron krążący wokół jądra i odlatuje dalej jako neutrino, a my obserwujemy ten wybity elektron. Może być też tak, że neutrino uderza w jądro izotopu wodoru zwanego deuterem, rozbija je na proton i neutron, po czym odlatuje jako neutrino, a my próbujemy zobaczyć składniki rozbitego jądra.

Arthur McDonald i jego grupa zbudowali detektor, w którym umieszczona została ciężka woda, czyli woda z deuterem, którego jądro składa się z protonu i neutronu. Byli więc oni w stanie zaobserwować właśnie te oddziaływania, kiedy neutrino o dowolnym zapachu, elektronowe, mionowe czy taonowe uderza w deuter i go rozbija. Mogą państwo spytać, dlaczego neutrina mionowe i taonowe nie mogą oddziaływać w taki sposób, że po uderzeniu zmieniają się w jon i taon, po czym my widzimy ten jon i taon? Problem polega na tym, że mion i taon są ciężkie. Neutrino elektronowe ze Słońca posiada energię rzędu kilku megaelektronowoltów, a elektron waży pół megaelektronowolta, przez co mamy wystarczający zapas energii, żeby ten elektron zgodnie ze wzorem  E = mc 2 wyprodukować i go zaobserwować. Mion waży natomiast ponad 100 megaelektronowoltów, a taon jest cięższy, a więc neutrino ze Słońca nie posiada wystarczającej energii, żeby móc wyprodukować mion lub taon. Dlatego też obserwacja neutrin o innym zapachu niż elektronowe jest możliwa wyłącznie w procesie, w którym właśnie neutrino pozostaje neutrinem, a przekazuje część swojej energii na przykład deuteronowi (jądru atomowemu deuteru), który ulega rozbiciu.

Arthur McDonald, szef eksperymentu zwanego SNO (Sudbury Neutrino Observatory), mierzył wraz z kolegami trzy reakcje. W jednej z nich występowały wyłącznie neutrina elektronowe i była to właśnie taka reakcja, w której neutrino elektronowe zamieniało się w elektron. W drugiej reakcji dowolne neutrino rozpraszało się na elektronie krążącym wokół jądra, z tym że ta reakcja również była zdominowana przez neutrino elektronowe, a w trzeciej neutrino pozostawało neutrinem. Ta trzecia reakcja pozwalała zmierzyć całkowity strumień neutrin ze Słońca oraz porównać go ze strumieniem neutrin elektronowych. Wówczas okazało się, że o ile ilość neutrin elektronowych wynosi faktycznie mniej więcej 1/3 tego, czego się spodziewamy, to ten całkowity strumień neutrin o wszystkich możliwych zapach jest taki, jak przewidziano w modelu Słońca. Wiadomo było więc, że coś się z tymi neutrinami dzieje, ponieważ wiemy, że musiały być one wyprodukowane jako elektronowe w reakcjach termojądrowych w Słońcu, natomiast to, co widzimy na Ziemi, to są neutrina elektronowe, mionowe i taonowe.

Oglądaj całość