Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
ODDZIAŁYWANIE
ELEKTRYCZNE

Cząstki wirtualne
Osobisty magnetyzm
mionu

ODDZIAŁYWANIE
SŁABE

Lekko złamana
symetria, czyli skąd
się wzięliśmy

Polowanie na małe
neutralne

Wybuchowe równanie
Zbrodnicza spółka
i dwuneutrinowy
eksperyment

Brazylijskie zadłużenie
krótkie spódniczki
i vice versa

ODDZIAŁYWANIE
SILNE

Wołania kwarków
Zasady zachowania
Niobowe jaja
„Rutherford” wraca
Rewolucja
Listopadowa

Poszukiwanie
wybrzuszeń

Skąd to całe
zamieszanie (i trochę
kwaśnych winogron)

Nagi powab
Trzecia generacja
JESZCZE O
ODDZIAŁYWANIU
SŁABYM

Pora
na przyspieszenie
oddechu

Znalezienie zet zero
JESZCZE
O ODDZIAŁYWANIU
SILNYM: GLUONY

Koniec drogi
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Zbrodnicza spółka i dwuneutrinowy eksperyment
 
Zbrodnicza spółka
i dwuneutrinowy eksperyment
 
W
listopadzie roku 1959 Melvinowi Schwartzowi, wykładowcy z  Uniwersytetu Columbia, po wysłuchaniu szczegółowego omówienia kłopotów, z  jakimi borykał się teoretyk T. D. Lee (z  tegoż samego uniwersytetu) przyszedł do głowy WSPANIAŁY POMYSŁ. Można utworzyć wiązkę neutrin, pozwalając wysokoenergetycznej wiązce pionów szybować tak długo, aż pewna ich część, powiedzmy 10 procent, ulegnie rozpadowi na miony i  neutrina. Piony zanikałyby podczas lotu, a  na ich miejsce pojawiałyby się miony i  neutrina. Mamy więc mknące w  przestrzeni miony i  neutrina, które pochodzą z  dziesięciu procent pionów, pozostałe 90 procent pionów, które jeszcze nie uległy rozpadowi, oraz garść odłamków jądrowych pochodzących z  tarczy, w  której powstawały piony. Teraz, rzekł Schwartz, skierujmy naszą wiązkę na stalową ścianę grubości około 13 metrów (jak się okazało). W  ścianie tej zatrzymałoby się wszystko, oprócz neutrin, które bez kłopotu mogłyby przeniknąć nawet przez 13 milionów metrów stali. Po drugiej stronie stalowej ściany będziemy mieli czystą wiązkę neutrin, a  ponieważ podlegają one tylko oddziaływaniu słabemu, dadzą nam wspaniałą okazję do badania własności zarówno neutrin, jak i  słabego oddziaływania.
       Ten projekt odnosił się do obu kłopotliwych zagadnień. W  pomyśle Mela chodziło o  to, że dzięki tej wiązce można by badać oddziaływanie słabe o  energii miliardów zamiast milionów elektronowoltów. Dzięki temu poznalibyśmy zachowanie tej siły przy wysokich energiach. Wiązka mogłaby także dostarczyć wskazówek, dlaczego nie obserwujemy rozpadów mionów na elektron i  foton; przy założeniu, że neutrina są w  to w  jakiś sposób zamieszane.
       Jak to się często zdarza w  nauce, niemal identyczna koncepcja została opublikowana w  tym samym czasie przez radzieckiego fizyka Brunona Pontecorvo. Jeśli ci się zdaje, drogi Czytelniku, że nazwisko to brzmi z  włoska, to masz rację: Bruno Pontecorvo był Włochem, który w  latach pięćdziesiątych zbiegł do Moskwy z  powodów politycznych. Jego styl uprawiania nauki, pomysły i  wyobraźnia były wyjątkowe. Tragedia Brunona polegała na tym, że próbował realizować swoje fantastyczne pomysły w  systemie obezwładniającej biurokracji. Międzynarodowe konferencje stanowią dobrą okazję do wyrażania i  zacieśniania przyjacielskich więzów między naukowcami. W  czasie jednej z  takich konferencji, odbywającej się w  Moskwie, zapytałem przyjaciela: „Jewgienij, powiedz mi, który z  was, rosyjskich uczonych, jest prawdziwym komunistą?” Rozejrzał się po sali i  wskazał na Pontecorvo. Ale to było już w  1960 roku.
       W  roku 1959 wróciłem z  miłego rocznego pobytu w  CERN. Wysłuchałem dyskusji dotyczącej kryzysu związanego ze słabym oddziaływaniem i  dowiedziałem się o  propozycji Schwartza. Z jakiegoś powodu doszedł on do wniosku, że żaden z  istniejących dotąd akceleratorów nie miał dostatecznie dużej mocy, aby uformować odpowiednio intensywną wiązkę neutrin, z  czym ja się nie zgodziłem. W  Brookhaven kończono właśnie budowę akceleratora AGS (Alternating Gradient Synchrotron) o  mocy 30 GeV. Przeprowadziłem odpowiednie obliczenia i  przekonałem siebie, a  potem Schwartza, że eksperyment będzie można przeprowadzić. Zaprojektowaliśmy więc ogromny jak na owe czasy eksperyment. Jack Steinberger, kolega z  Uniwersytetu Columbia, dołączył do nas i  razem ze studentami i  stażystami utworzyliśmy siedmioosobową grupę. Jack, Mel i  ja znani byliśmy z  delikatności i  łagodności. Pewnego razu, gdy szliśmy razem w  Brookhaven, usłyszałem, jak ktoś z  grupy fizyków zawołał: „O, idzie zbrodnicza spółka!”
       Aby zablokować wszystkie cząstki oprócz neutrin, zbudowaliśmy wokół ogromnego detektora grubą ścianę z  tysięcy ton stali pozyskanej z  przestarzałych i  złomowanych okrętów marynarki wojennej. Kiedyś przez pomyłkę powiedziałem jakiemuś dziennikarzowi, że dla zrobienia naszej ściany rozmontowaliśmy okręt wojenny Missouri. Musiałem pomylić nazwy, bo najwyraźniej Missouri gdzieś tam jeszcze wciąż pływa, ale z  pewnością pocięliśmy jakiś inny złomowany okręt. Miałem też nieszczęście zażartować, że gdyby zaczęła się jakaś wojna, musielibyśmy rozmontować naszą ścianę i  z  powrotem zlepić z  kawałków ten statek. W  ten sposób wkrótce rozeszła się plotka, że marynarka wojenna skonfiskowała nasze urządzenia, by je wykorzystać w  jakiejś wojnie. Jakiej – mieliśmy wówczas rok 1960 – pozostaje zagadką.
       Inna z  lekka podkoloryzowana historia dotyczy działa artyleryjskiego. Dostaliśmy dwunastocalowe działo okrętowe o  odpowiednim otworze i  grubych ścianach. Wspaniale się nadawało na kolimator – urządzenie służące do skupiania i  nakierowywania wiązki cząstek. Chcieliśmy wypełnić je berylem, który miał służyć jako filtr, ale wewnątrz lufy zostały nagwintowane głębokie rowki. Posłałem więc chudego doktoranta do środka, by pozapychał je stalową watą. Popracował tam godzinę, po czym wyszedł spocony i  zły i  powiedział: „Mam tego dość, rezygnuję”. „Nie możesz – zawołałem. – Skąd wezmę drugiego studenta tego kalibru?”
       Gdy już zakończyliśmy przygotowania, stal ze złomowanych okrętów otaczała detektor, który został sporządzony z  dziesięciu ton aluminium rozmieszczonego gustownie w  ten sposób, że można było zaobserwować produkty zderzenia między neutrinem a  jądrem aluminium. Detektorem, którego ostatecznie użyliśmy, była komora iskrowa wynaleziona przez Japończyka, Shuji Fukui. Wiele nauczyliśmy się podczas dyskusji z  Jimem Croninem z  Princeton, który opanował technikę posługiwania się tym urządzeniem. Następnie Schwartz zwyciężył w  konkursie na najlepszy projekt komory, który mógł być przeskalowany od kilku kilogramów do dziesięciu ton. W  komorze tej starannie wykonane płytki z  aluminium grubości około 2,5 centymetra zostały rozmieszczone w  odległości nieco ponad jeden centymetr od siebie, a  sąsiadujące ze sobą płytki miały ogromną różnicę potencjału. Jeśli naładowana cząstka mijała szczelinę, to jej tropem podążała iskra i  można było zrobić jej zdjęcie. Jak to łatwo powiedzieć! Technika ta sprawiała nam nieco kłopotów, ale przyniosła fantastyczne rezultaty! Wziut... i  trajektoria subjądrowej cząstki ukazywała się w  czerwono-żółtym świetle jarzącego się neonu. To było urocze urządzenie.
       Aby poznać działanie komór iskrowych, zbudowaliśmy ich modele i  umieściliśmy je na drodze wiązek elektronów i  pionów. Większość komór w  tamtych czasach miała około 0,1 metra kwadratowego powierzchni i  składała się z  10–20 płyt. Nasz detektor chcieliśmy wyposażyć w  100 płyt, z  których każda miała około 0,5 metra kwadratowego powierzchni i  2,5 centymetra grubości. I wszystkie zapraszały neutrina do zderzeń. Nasza grupa pracowała dniami i  nocami – i  jeszcze przy innych okazjach – by zbudować to urządzenie oraz towarzyszącą mu elektroniczną aparaturę. W miarę potrzeby wymyślaliśmy różne rzeczy: półkoliste szczeliny iskrowe, zautomatyzowane urządzenia do uszczelniania, rozmaite obwody elektryczne. Pomagało nam też kilku inżynierów i  techników.
       Rozpoczęliśmy eksperyment pod koniec 1960 roku i  z  miejsca zaczął nas dręczyć szum tła, wywołany przez neutrony i  inne odłamki z  tarczy, które przedzierały się przez naszą stalową blokadę, zapychając komorę iskrową i  wypaczając wyniki. Nawet jeśli przedostawała się tylko jedna cząstka na miliard, to stwarzała nam problemy. Jedna szansa na miliard to chyba niezła definicja cudu, a  jednak dla nas i  to było za dużo. Męczyliśmy się tygodniami, zatykając wszystkie szpary, którymi mogły się wcisnąć neutrony. Wytrwale szukaliśmy przewodów elektrycznych biegnących pod podłogą (Mel kiedyś uwiązł w  jednym z  nich i  paru silnych techników musiało go wyciągać). Wszędzie, gdzie blokada wydawała się nam za cienka, dokładaliśmy nowe zwały złomu. W pewnym momencie dyrektor nowiutkiego akceleratora w  Brookhaven wyznaczył nam nieprzekraczalną granicę: „Po moim trupie będziecie zwalali to brudne żelastwo przy mojej maszynie!” – zagrzmiał. Nie przyjęliśmy tej oferty i  poszliśmy tylko na niewielki kompromis. Pod koniec listopada zakłócenia tła zredukowaliśmy do poziomu, który był już do przyjęcia.
       Oto na czym polegał nasz eksperyment. Protony z  AGS trafiały w  tarczę, wytwarzając przeciętnie trzy piony w  wyniku każdego zderzenia. Mieliśmy około 1011 zderzeń na sekundę (100 miliardów). Powstawały też neutrony, protony, z  rzadka jakiś antyproton i  inne odłamki. Wszystko to, zmierzając w  naszym kierunku, przebywało około piętnastu metrów wolnej przestrzeni, a  potem wpadało na nieprzenikalną stalową ścianę. Do tego czasu około 10 procent pionów ulegało rozpadowi, mieliśmy więc kilkadziesiąt milionów neutrin. Tylko część z  nich zmierzała we właściwym kierunku, w  stronę naszej dziesięciometrowej ściany. Po drugiej stronie, zaraz za ścianą, czekał detektor – komora iskrowa. Według naszych ocen, przy pewnej dozie szczęścia powinno nam się udać zarejestrować mniej więcej jedno zdarzenie z  udziałem neutrina na tydzień! W  ciągu tygodnia z  tarczy wytryskuje w  kierunku detektora około 500 milionów miliardów (5 × 1017) cząstek. Dlatego właśnie musieliśmy tak bardzo zredukować zakłócenia tła.
       Spodziewaliśmy się zarejestrować dwa rodzaje zderzeń z  udziałem neutrin: (1) neutrino uderza w  jądro aluminium, w  wyniku czego powstaje mion i  pobudzone jądro; (2) neutrino uderza w  jądro i  powstaje elektron i  pobudzone jądro. Zapomnijmy o  jądrach, ważne jest to, że spodziewaliśmy się, iż miony i  elektrony pojawią się w  równych proporcjach, a  od czasu do czasu będą im towarzyszyły protony oraz inne odłamki z  pobudzonych jąder.
       Cnota zatriumfowała i  w  ciągu ośmiu miesięcy trwania eksperymentu zaobserwowaliśmy 56 zderzeń z  udziałem neutrin, z  których być może pięć budziło wątpliwości. To brzmi bardzo prosto, ale ja nigdy, przenigdy nie zapomnę tego pierwszego przypadku neutrinowego. Wywołaliśmy rolkę filmu – efekt tygodnia zbierania danych. Większość klatek była pusta albo ujawniała ślady promieniowania kosmicznego. Ale nagle ujrzeliśmy piękny ślad spektakularnego zderzenia, z  długą ścieżką pozostawioną przez odlatujący w  dal mion. To pierwsze zderzenie było dla nas olśniewającym momentem. Nabraliśmy pewności, że po tylu wysiłkach eksperyment przyniesie oczekiwane efekty.
       Przede wszystkim musieliśmy udowodnić, że rzeczywiście biorą w  tym udział neutrina, jako że był to pierwszy w  świecie eksperyment tego rodzaju. Przywołaliśmy całe swe doświadczenie i  każdy z  nas po kolei odgrywał rolę adwokata diabła, próbując znaleźć luki w  naszym rozumowaniu. Jednak dane były niepodważalne i  przyszła pora na ogłoszenie wyników. Czuliśmy się dostatecznie pewnie, by przedstawić rezultaty kolegom. Trzeba było słyszeć Schwartza przemawiającego w  zatłoczonym do granic możliwości audytorium w  Brookhaven. Jak prawdziwy adwokat wykluczał jedną po drugiej wszystkie inne dopuszczalne interpretacje. Słuchacze śmiali się i  płakali; z  sali musiano wyprowadzić rozszlochaną matkę Mela.
       Nasz eksperyment miał trzy (zawsze trzy) istotne konsekwencje. Pamiętasz, drogi Czytelniku, że Pauli jako pierwszy postulował istnienie neutrina, aby uzasadnić braki energii w  procesie rozpadu beta, w  którym z  jądra wystrzeliwany jest elektron. Neutrina Pauliego zawsze były nieodłącznie związane z  elektronami. Jednak w  prawie wszystkich naszych przypadkach produktem zderzenia neutrina okazywał się mion. Nasze neutrina odmówiły produkowania elektronów. Dlaczego?
       Musieliśmy przyznać, że neutrina, których używaliśmy, miały jakąś nową specyficzną własność, jakąś „mionowatość”. Ponieważ neutrina te powstały razem z  mionami w  procesie rozpadu pionów, w  nie znany nam sposób musiały być naznaczone „mionem”.
       Aby to udowodnić słuchaczom, u  których sceptycyzm jest cechą uwarunkowaną genetycznie, musieliśmy wiedzieć i  umieć wykazać, że nasze urządzenia nie miały takich wad konstrukcyjnych, które spowodowałyby, iż chętniej wykrywają miony i  przez to – czyli przez głupotę konstruktorów – nie mogą wykrywać elektronów. Znowu problem z  lunetą Galileusza. Na szczęście potrafiliśmy udowodnić naszym krytykom, że aparatura działa bez zarzutu i  wykrywa elektrony. Potwierdziliśmy to za pomocą próbnych wiązek tych cząstek.
       Inne zaburzenia mogły pochodzić od promieniowania kosmicznego. Na poziomie morza składa się ono głównie z  mionów. Kiepski fizyk mógłby omyłkowo uznać mion promieniowania kosmicznego, który zatrzymał się w  komorze, za mion wylatujący, powstały na skutek zderzenia neutrina, czyli za to, czegośmy poszukiwali. Zainstalowaliśmy blokadę, by się przed tym uchronić, ale skąd mogliśmy mieć pewność, że działa?
       Zyskaliśmy tę pewność dzięki temu, że detektor był cały czas włączony, także wtedy, gdy akcelerator nie działał, czyli przez około 50 procent czasu. Wszelkie miony, które pojawiłyby się w  tym czasie, byłyby nieproszonymi, kosmicznymi gośćmi. Ale nie przybył żaden: promieniowanie kosmiczne nie potrafiło przedrzeć się przez naszą blokadę.
       Przytaczam wszystkie te techniczne szczegóły po to, by pokazać ci, drogi Czytelniku, że eksperymentowanie nie jest wcale łatwe, a  interpretacja wyników doświadczenia to delikatna sprawa. Przed wejściem na basen kąpielowy Heisenberg powiedział kiedyś do kolegi: „Wszyscy ci ludzie wchodzą i  wychodzą starannie ubrani, ale czy można na tej podstawie wyciągać wniosek, że także pływają w  ubraniach?”
       Musieliśmy zatem uznać, że w  przyrodzie występują (co najmniej) dwa rodzaje neutrin: jeden związany z  elektronami (zwykle waniliowe neutrina Pauliego), a  drugi z  mionami. Nazywamy je więc neutrinami elektronowymi (zwykłymi) i  neutrinami mionowymi, czyli tymi, które wyprodukowaliśmy w  naszym doświadczeniu. Te dwa rodzaje różnią się od siebie zapachem, jak to określa się w  figlarnym żargonie fizyków zajmujących się modelem standardowym. Niektórzy zaczęli rysować taką oto tabelkę:
 
neutrino elektronowe
neutrino mionowe
elektron
mion
 
       albo w  fizycznej stenografii:
 
ne
nm
e
m
 
       Elektron został umieszczony pod swym kuzynem, neutrinem elektronowym (na co wskazuje indeks u  dołu), a  mion pod neutrinem mionowym. Przypomnijmy, że przed eksperymentem znaliśmy trzy rodzaje leptonów: e, ne i  m, nie podlegające silnemu oddziaływaniu. Teraz pojawiły się cztery: e, ne, m  oraz nm. Eksperyment został nazwany eksperymentem dwuneutrinowym i  stał się kamieniem węgielnym modelu standardowego. Zauważ, drogi Czytelniku, że mamy dwie rodziny leptonów – cząstek punktowych. Elektron i  neutrino elektronowe stanowią pierwszą rodzinę, która powszechnie występuje we Wszechświecie. Do drugiej rodziny należą mion i  neutrino mionowe, których prawie nie znajdujemy we współczesnym Wszechświecie; trzeba je wyprodukować w  akceleratorach albo w  takich wysokoenergetycznych zderzeniach, jak te z  udziałem promieniowania kosmicznego. Gdy Wszechświat był młody i  gorący, także i  te cząstki występowały powszechnie. Gdy odkryto mion, cięższego kuzyna elektronu, I. I. Rabi zapytał: „A  kto to zamawiał?” Eksperyment z  dwoma neutrinami dostarczył jednej z  pierwszych wskazówek, gdzie poszukiwać odpowiedzi.
       No tak, istnienie dwóch neutrin rozwiązywało zagadkę brakującej reakcji: mion-e-g. Przypomnijmy, że mion powinien rozpadać się na elektron i  foton, ale nikt nie zdołał zaobserwować takiej reakcji, choć wielu próbowało. Poszukiwano śladów następującej sekwencji zdarzeń: mion rozpada się na elektron i  dwa neutrina – zwykłe neutrino oraz antyneutrino. Te dwie cząstki, będąc materią i  antymaterią, anihilują i  w  efekcie powstaje foton, ale nikt nigdy nie widział tych fotonów. Teraz powód był jasny. Dodatnio naładowany mion rozpadał się na pozyton i  dwa neutrina, ale jest to neutrino elektronowe oraz  neutrino antymionowe, które nie ulegają anihilacji. Po prostu pozostają sobie neutrinami i  nie powstaje żaden foton. Stąd też brak reakcji mion-e-g.
       Inną konsekwencją eksperymentu zbrodniczej spółki było stworzenie nowego narzędzia dla fizyki: gorących i  zimnych wiązek neutrin. Pojawiły się one w  stosownym czasie w  CERN, Fermilabie, Brookhaven i  Sierpuchowie. Pamiętajmy, że przed tym eksperymentem nie mieliśmy pewności, czy neutrina w  ogóle istnieją. Teraz na zawołanie dysponowaliśmy całymi wiązkami tych cząstek.
       Niektórzy, być może, zauważyli, że staram się nie poruszać pewnego zagadnienia. Co się stało z  kryzysem numer jeden – z  faktem, że nasze równanie opisujące oddziaływanie słabe nie działa przy wysokich energiach. Nasz eksperyment z  1961 roku pozwolił wykazać, że częstość zderzeń rzeczywiście wzrasta wraz ze wzrostem energii. W  latach osiemdziesiątych wyżej wspomniane laboratoria – przy użyciu intensywniejszych wiązek o  większych energiach i  detektorów ważących setki ton – rejestrowały miliony zderzeń, w  których uczestniczyły neutrina. (Rejestrowano po kilka zdarzeń na minutę, co stanowi wyraźną poprawę w  porównaniu z  naszym jednym zdarzeniem na tydzień). Mimo to wysokoenergetyczny kryzys oddziaływania słabego nie został rozwiązany, co najwyżej – rozjaśniony. Liczba zderzeń neutrin przy wyższych energiach rzeczywiście się zwiększała, zgodnie z  przewidywaniem niskoenergetycznej teorii. Jednak lęk przed tym, że częstość zderzeń stałaby się zbyt duża, został złagodzony dzięki odkryciu cząstki W±  w  1982 roku. Cząstka ta ujawniła nowe procesy, które doprowadziły do modyfikacji teorii i  do tego, że zaczęła się ona zachowywać w  sposób nieco bardziej wyważony. Dzięki temu zażegnano na pewien czas kryzys, do którego jeszcze powrócimy.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach