"Zrobiłem straszną rzecz. Zapostulowałem istnienie cząstek, które nie mogą być odkryte..." - W. Pauli
 
/Strona główna/Własności neutrin/Majorana czy Dirac?

Ulubione

Drukuj

Mapa

Kontakt
 
Majorana czy Dirac?

W latach 30-stych Dirac zapisał równanie, które łączyło mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności. Z równania tego wynikało między innymi, że każda cząstka materii ma swojego partnera w postaci anty-cząstki. Ujemnemu elektronowi odpowiada dodatni anty-elektron (zwany pozytonem), dodatniemu protonowi odpowiada ujemny anty-proton itd. Również obojętne elektrycznie neutrino powinno mieć swojego obojętnego partnera w postaci anty-neutrina. W 1937 roku Ettore Majorana zauważył, że spójność teorii zostanie zachowana jeśli utożsami się neutrino z anty-neutrinem, tzn. że neutrino i anty-neutrino to ta sama cząstka. Założenie takie redukuje ilość cząstek występujących w przyrodzie, jest więc założeniem upraszczającym, a każde uproszczenie obrazu świata fizycznego jest godne rozważenia.

Neutrina Diraca i Majorany

Mówiąc o odkryciu neutrina powiedzieliśmy, że wykorzystano do niego tzw. odwrotny rozpad beta. Proces ten zachodzi w wyniku absorpcji diracowskiego anty-neutrina. Anty-neutrino to jest wcześniej wyemitowane w wyniku rozpadu beta następującego w reaktorze jądrowym. Jeśli hipoteza Majorany byłaby prawdziwa to ustawiony koło reaktora inny detektor, rejestrujący nie anty-neutrina lecz neutrina również notowałby zachodzące w nim zdarzenia produkowane przez absorpcję neutrin. Neutrino byłoby bowiem tym samym obiektem co anty-neutrino. Eksperyment taki został przeprowadzony przez Raymonda Davisa. Polegał on na umieszczeniu obok reaktora zbiornika z substancją zawierającą chlor. Chlor ma zdolność absorpcji neutrina. Po absorpcji jądro chloru zamienia się w jądro radioaktywnego argonu. Stosując metody fizykochemiczne można zmierzyć ilość wyprodukowanych jąder argonu w zbiorniku. Davis jednak nie zaobserwował produkcji argonu w swoim doświadczeniu. Najwyraźniej anty-neutrino nie jest tożsame z neutrinem, o ile...

Eksperyment Davisa

Po odkryciu łamania parzystości idea Majorany powróciła. Możliwe przecież jest, że neutrina i anty-neutrina można utożsamić, a za obserwowane efekty odpowiada ich skrętność. Załóżmy, że Majorana miał rację i istnieje tylko jedna cząstka - neutrino. Jednak neutrino to występowałoby wtedy w dwu odmianach - prawo i lewoskrętnej. Być może w rozpadzie beta powstają tylko i wyłącznie neutrina prawoskrętne, które nie mogą być absorbowane przez chlor, gdyż chlor może tylko i wyłącznie absorbować neutrina lewoskrętne!

Czy prawdziwa jest koncepcja Diraca, zakładająca istnienie neutrina oraz anty-neutrina, czy koncepcja Majorany, która zakłada istnienie jednej cząstki - neutrina? Mogłoby się wydawać, iż problem jest nie do rozstrzygnięcia. Gdy założymy zerową masę neutrin, cząstki te będą poruszać się z prędkością światła, a co za tym idzie, gdy przy narodzinach nadana zostanie im konkretna skrętność, będą ją miały już zawsze. Pamiętajmy, że cząstka poruszająca się z prędkością światła nie zmieni nigdy swojej skrętności. Możemy więc zdefiniować neutrino jako obiekt lewoskrętny, zaś anty-neutrino jako obiekt prawoskrętny i dostać w ten sposób parę neutrino - anty-neutrino opisane teorią Diraca, lub też stwierdzić, że istnieją dwa odrębne stany tej samej cząstki lewo i prawoskrętny i otrzymać teorię Majorany. Teorie wydają się więc nie do rozróżnienia, a problem jest czysto akademicki.

Jak wyglądałaby sytuacja w przypadku gdyby neutrino posiadało pewną masę. W tym przypadku nie mogłoby się ono oczywiście poruszać z prędkością światła. Okazuje się, że wtedy istnieje pewne małe prawdopodobieństwo, na przejście jednej skrętności w drugą. Załóżmy, że neutrino jest cząstką Majorany i powróćmy na chwilę do doświadczenia Davisa. W doświadczeniu tym w reaktorze rodziły się neutrina prawoskrętne (w wyniku rozpadu beta). Cząstki te opuszczały reaktor i trafiały do chlorowego detektora. Aby chlor mógł przemienić się w argon, jego jądro musi zaabsorbować neutrino lewoskrętne. Jak powiedzieliśmy w przypadku, w którym neutrina mają niezerową masę istnieje pewne prawdopodobieństwo przejścia neutrina prawoskrętnego (emitowanego przez reaktor) w neutrino lewoskrętne (wymagane przy absorpcji w chlorze). W detektorze powinny więc zachodzić reakcje! Załóżmy teraz, że neutrino jest cząstką Diraca i ma niezerową masę. Wtedy w reaktorze zachodziłaby produkcja prawoskrętnych anty-neutrin. Anty-neutrina te opuszczałyby reaktor i w czasie przechodzenia przez detektor część z nich byłaby nadal prawoskrętna, zaś część lewoskrętna. Jednak w tym przypadku absorpcja anty-neutrin nie byłaby w chlorze możliwa. Chlor bowiem może zaabsorbować tylko i wyłącznie neutrino, nie zaś anty-neutrino!

Eksperyment NEMO

W eksperymencie Davisa nie zaobserwowano żadnych reakcji. Czy oznacza to, że neutrina są cząstkami Diraca? Nie! Prawdopodobieństwo przejścia skrętności jednej w drugą jest tym mniejsze im mniejsza jest masa neutrina. Ze spektrum energii elektronu w rozpadzie beta wiemy, że masa ta musi być bardzo mała (jeśli nie zerowa). Znaczy to tyle, że gdyby nawet neutrino było cząstką Majorany, to po narodzinach w stanie prawoskrętnym miałoby bardzo małe prawdopodobieństwo przejścia do stanu lewoskrętnego i oddziałania w detektorze Davisa. Eksperyment Davisa rzeczywiście nie miał dużej czułości. Dziś przeprowadza się podobne eksperymenty wykorzystując zamiast reaktora i zbiornika z chlorem bardzo ciekawe zjawisko fizyczne jakim jest podwójny rozpad beta. Ale o ty nieco później.

.

Paul Maurice Dirac (1902-1984) fizyk angielski. Współtwórca teorii kwantowej. Wprówadził do niej tzw. relatywistyczne równianie falowe, które łączy mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności. Równanie to przewiduje istnienie antymaterii (odkrytej kilka lat po zapisaniu owego równania) oraz opisuje spiny cząstek elementarnych. Dirac został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1933 roku.
Aby dowiedzieć się więcej:


Ettore Majorana (1906-1938?) włoski fizyk. Współpracownik Fermiego. Zajmował się mechaniką kwantową. Rozważał problem masy neutrina. Zapisał równanie, w którym neutrina i anty-neutrina traktowane są jako ten sam obiekt. Interesował się również zagadnieniem fal grawitacyjnych. W 1938 roku w czasie rejsu statkiem zaginął. Prawdopodobnie popełnił samobójstwo.
Aby dowiedzieć się więcej:
› wikipedia.org


Raymond Davis fizyk i chemik amerykański. Na przełomie lat 40-tych i 60-tych próbował wykryć neutrina pochodzące z reaktora (niestety raktor emituje wyłącznie anty-neutrina). W latach 50-tych i 60-tych zajmował się opracowaniem fizyko-chemicznych metod szacowania wieku skał, między innymi badał wiek meteorytów i skład chemiczny próbek gruntu księżycowego. Autor eksperymentu w kopalni Homestake, w którym metodami radiochemicznymi wykrył i zmierzył strumień neutrin pochodzących ze Słońca. Strumień ten okazał się trzy krotnie mniejszy niż przewidywany teoretycznie. Pomiar ten, którego rezultat nazwano "neutrinowym kryzysem słonecznym", został potwierdzony przez eksperymenty następnej generacji i przyczynił się do powstania hipotezy masowych, oscylujących neutrin. W 2002 roku Davis został uhonorowany Nagrodą Nobla.
Aby dowiedzieć się więcej:

 
 | Kontakt | Mapa| Podziękowania |  © Odkrywanie Neutrin