Na poniższych stronach na scenę odkryć naukowych wkroczy neutrino. Obiekt przewidziany w pierwszej połowie XX wieku przez Wolfganga Pauliego doczekał się swojego doświadczalnego potwierdzenia dopiero dwadzieścia lat później. Eksperyment, który potwierdził istnienie owej ulotnej cząstki został przeprowadzony przez Ferederica Reinesa i Clyde'a Cowana. Niedługo nowe odkrycia dokonane najpierw w laboratoriach Brookhaven, a następnie SLAC skomplikowały obraz neutrina. Odkryto bowiem dwa nowe rodzaje neutrin. Zapraszamy do zapoznania się z opowieścią o gorącym, pełnym ekscytujących odkryć etapie rozwoju fizyki neutrin, gdy koncepcja neutrina rodziła się i dojrzewała.

Na początku lat 30-tych Wolfgang Pauli zaproponował istnienie nowej cząstki materii. Cząstka ta emitowana byłaby razem z elektronem w czasie rozpadu beta neutronu. Nazwana została neutrinem. Jej pojawienie się w rozpadzie beta ratowałoby zasadę zachowania energii - rozpad byłby trzy ciałowy, a nie dwu jak zakładano wcześniej. Neutrino, zgodnie z przewidywaniami Pauliego miało zerową lub bliską zeru masę i spin połówkowy (tak samo jak elektron). Wkrótce Enrico Fermi opisał rozpady beta równaniami matematycznymi i stwierdził, że neutrino wprowadzone przez Pauliego nie będzie praktycznie oddziaływać z materią. Teoria Fermiego, zwana teorią oddziaływań słabych przetrwała bez konieczności zmian następne 20 lat.

Czytaj więcej...

W latach 40-tych skonstruowano pierwszy reaktor jądrowy. Okazało się, że procesy w nim zachodzące są wyjątkowo wydajnym źródłem anty-neutrin. W 1954 roku dwu amerykańskich fizyków Frederic Reines i Clyde Cowan postanowiło wykorzystać reaktor do przeprowadzenia pierwszej bezpośredniej obserwacji neutrin. Eksperyment, który przygotowali bazował na tzw. odwrotnej przemianie beta, w której lecące anty-neutrino oddziałuje z protonem ośrodka produkując neutron i anty-elektron. Anty-elektron oddziałuje z jednym z elektronów zawartych w detektorze i w procesie anihilacji daje błysk światła. Neutron natomiast jest wyłapywany przez jądro atomowe ośrodka. W tym procesie również powstaje błysk światła. Reines i Cowan poszukiwali właśnie takich dwu-krotnych rozbłysków. Eksperyment zakończył się sukcesem, efekty związane z oddziaływaniem anty-neutrina zostały zaobserwowane.

Czytaj więcej...

Do górnych warstw atmosfery ziemskiej dochodzi tzw. promieniowanie kosmiczne. Promieniowanie to jest poruszającymi się z olbrzymimi prędkościami cząstkami elementarnymi i jądrami atomowymi pochodzącymi z przestrzeni kosmicznej. Cząstki te oddziałują z atmosferą powodując pojawianie się tzw. cząstek wtórnych. Wśród owych cząstek wtórnych fizycy w latach 30 i 40-stych odkryli liczne nowe, nieznane wcześniej cząstki materii - m.in. anty-elektrony, miony i piony. Mion to cząstka bardzo podobna do elektronu, ale znacznie od niego cięższa. Jest nietrwała, po krótkiej chwili rozpada się na elektron oraz dwa neutralne obiekty, które zostały zidentyfikowane jako neutrina. Pion, który jest ważnym obiektem biorącym udział w wiązaniu neutronów i protonów w jądrze atomowym, również jest nietrwały. Rozpada on się na mion oraz jedno neutrino.

Czytaj więcej...

Aby wyjaśnić dlaczego mion nie może rozpadać się na elektron i kwant światła (foton) wprowadzona została zasada zachowania liczby elektronowej i mionowej. Mion obdarzony został liczbą mionówą +1 i mógł się rozpaść tylko w taki sposób, że sumaryczna liczba mionowa produktów rozpadu również musiała być równa jedności. Okazało się, że jedno z neutrin powstające w rozpadzie jest obdarzone ową jednostkową liczbą mionową. Zgodnie z tą teorią elektron powinien być natomiast obdarzony dodatnią liczbą elektronową, a drugie z neutrin (a właściwie anty-neutrino) pojawiające się w rozpadzie mionu powinno przenosić liczbę elektronową równą -1. W takim wypadku rozpad mionu nie generuje liczby elektronowej (elektron i anty-neutrino w sumie dają zerową liczbę elektronową), zaś liczba mionowa jest zachowana. Okazuje się, że inne rozpady, w których biorą udział neutrina również wymagają wprowadzenia owych liczb. Neutrina przenoszące liczbę mionową nazwano neutrinami mionowymi, zaś elektronową, elektronowymi. W latach 60-tych przeprowadzono eksperymentalne potwierdzenie istnienia dwu rodzajów neutrin.

Czytaj więcej...

W latach 70-tych został odkryty jeszcze cięższy odpowiednik elektronu, zwany taonem. Natychmiast po odkryciu pojawiła się koncepcja, że i z tym obiektem stowarzyszone jest neutrino, nazwane neutrinem taonowym, które przenosi liczbę taonową. Niestety taon ze względu na swą olbrzymią masę jest cząstką bardzo nietrwałą. Badanie jej w eksperymencie jest niezwykle trudne. Podobne trudności pojawiają się przy próbie bezpośredniego wykrycia neutrina taonowego, gdyż neutrino to w oddziaływaniu z materią powinno produkować właśnie taon. Eksperyment, w którym ostatecznie potwierdzono występowanie takich oddziaływań, został przeprowadzony w 2000 roku. Ostatnie z neutrin zostało odkryte.

Czytaj więcej...

Jeśli trzy, to dlaczego nie cztery, i więcej. Okazuje się, że w przyrodzie istnieją dokładnie trzy lekkie rodzaje neutrin - elektronowe, mionowe i taonowe. Dowodu na to dostarczyły wyniki eksperymentów prowadzonych przy największym z wybudowanych dotychczas akceleratorów cząstek, nazywanym LEP. Dowód ten polega na badaniu rozpadów cząstki przenoszącej oddziaływania słabe tzw. bozonu Z0, który wyglądałby nieco inaczej dla innej niż trzy ilości lekkich neutrin.

Czytaj więcej...