Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Neutrino - tajemnicza cząstka

Historia neutrina zaczyna się w 1927 roku, kiedy to obserwowano produkty rozpadu
beta(-)
jąder atomowych. W tamtym czasie wierzono, że poza obrębem jądra istnieje tylko jeden produkt przemiany – elektron (jedyny składnik tzw. promieniowania beta-). Schemat przykładowego rozpadu beta(-), obowiązujący w tamtych czasach:

jądro węgla C14 → jądro azotu N14 + elektron

Opierając się na zasadach zachowania pędu i energii, przewidywano teoretycznie, że emitowane elektrony powinny mieć stałą prędkość i energię. Niestety, pomiary doświadczalne wskazywały na coś innego. Prędkości i energie elektronów promieniowania beta(-) były różne i zadawały kłam fundamentalnym zasadom zachowania.

W 1930 roku szwajcarski fizyk – Wolfgang Pauli wysunął przypuszczenie, że fundamentalne zasady pozostają w rozpadzie beta(-) nienaruszone, z tym, że powstaje w nim jeszcze jedna cząstka. Po prostu, suma pędów lub energii tej cząstki i elektronu daje dopiero wartości stałe.

Był tylko jeden problem. Nikt tej dodatkowej cząstki nigdy nie widział. Pozostawała równie hipotetyczna, co nieuchwytna. Pauli tłumaczył to brakiem ładunku owej cząstki i jej słabym oddziaływaniem z materią. Był on tak pewien, że nie uda się nikomu jej zarejestrować, że w zakład o to postawił skrzynkę szampana.

Ostatecznie udało się potwierdzić jej istnienie w misternym eksperymencie, ale dopiero w 1956 roku. Pauli dostał telegram z dobrą nowiną od odkrywców i... kupił im skrzynkę szampana...

Włoski fizyk – Enrico Fermi nadał tajemniczej cząstce nazwę: "neutrino", co po włosku znaczy: mały, neutralny.
Dziś już wiemy, że w rozpad beta(-) przebiega według następującego schematu:

neutron (udd) → proton (uud) + elektron (e-) + antyneutrino elektronowe (anty νe)

Tak właściwie, rozpada się kwark dolny (d) neutronu na kwark górny(u) i mało trwałą cząstkę: bozon W-, która to szybko rozpada się na elektron i antyneutrino elektronowe.

Istnieje też rozpad beta(+), w którym powstają neutrina elektronowe i pozytony:

proton (uud) → neutron (udd) + pozyton (e+) + neutrino elektronowe (νe)

Neutrino elektronowe jest fermionem, czyli ma spin połówkowy. Wynosi on ½. Należy ono, wraz z elektronem, do podgrupy leptonów, tworząc z nim parę w generacji: kwark dolny, kwark górny, elektron, neutrino elektronowe.

Podobnie jak elektron ma swoją antycząstkę – pozyton, tak neutrino ma jako antycząstkę - antyneutrino. Owe antycząstki też są fermionami o spinie ½.

Z czasem odkryto 2 nowe, naładowane leptony: mion i taon, a więc logiczne było przypisanie im odpowiednich neutrin: mionowego i taonowego.

Na dzień dzisiejszy, potwierdzone eksperymentalnie jest istnienie wszystkich 3 rodzajów neutrin. Cząstki te oddziałują grawitacyjnie i słabo, a więc biorą udział w dwóch najsłabszych oddziaływaniach przyrody. Objawia się to po prostu nikłym prawdopodobieństwem interakcji neutrino – materia i aby takową zaobserwować, trzeba mnóstwa neutrin i ogromnej ilości materii. Przykładowo: co sekundę, przez każdy centymetr kwadratowy skóry człowieka przechodzi 66 miliardów neutrin słonecznych, a mimo to, w czasie całego jego życia, zachodzi najwyżej kilka oddziaływań neutrina z materią jego ciała.

Neutrina potrafią przechodzić w odpowiadające im naładowane leptony. Dzieje się to podczas rozpraszania ich na tych leptonach lub na odpowiednich kwarkach. Emitują one wtedy bozon W+. Bozon ten zostaje szybko przechwycony przez naładowany lepton lub kwark, z wytworzeniem odpowiedniego neutrina lub kwarku. Oto przykłady takich procesów:

νe → e- + W+ , W+ + e- → νe
SUMARYCZNIE: νe + e- → e- + νe


νe → e- + W+ , W+ + kwark d → kwark u
SUMARYCZNIE: νe + d → e- + u

Istnieją również przeciwne procesy, w których naładowane leptony rozpraszają się na neutrinach i odpowiednich kwarkach. W tych przypadkach emitowany jest bozon W-. Oto przykłady:

e- → νe + W- , W- + νe → e-
SUMARYCZNIE: e- + νe → νe + e-


e- → νe + W- , W- + kwark u → kwark d
SUMARYCZNIE: e- + u → νe + d

Dwa powyższe typy procesów to tzw. prąd ładunkowy (bo pośredniczące bozony mają ładunek). Istnieją jeszcze inne procesy pod łączną nazwą: prąd neutralny, w których leptony rozpraszane są na leptonach lub kwarkach z zachowaniem własnej tożsamości. Pośredniczy w nich pozbawiony ładunku bozon Z0. Przykłady:

e- → e- + Z0 , Z0 + νe → νe
SUMARYCZNIE: e- + νe → e- + νe


e- → e- + Z0 , Z0 + kwark u → kwark u
SUMARYCZNIE: e- + u → e- + u

Prąd ładunkowy i neutralny to dwa rodzaje oddziaływań słabych. Są one słabe, bo zachodzą rzadko. Dzieje się tak dlatego, że cząstki uczestniczące w rozproszeniu muszą znaleźć się blisko siebie, gdyż zasięg oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalny do masy jego nośnika. A bozony W+, W-, Z0 – nośniki oddziaływań słabych, są masywne.

Największą bodaj zagadką, związaną z neutrinami, jest zagadnienie istnienia ich mas spoczynkowych. Na dzień dzisiejszy, jest prawie pewne, że owe masy spoczynkowe są niezerowe i pewne, że neutrino elektronowe jest przynajmniej sto tysięcy razy lżejsze od elektronu.

Dane doświadczalne z lat 70-tych XX wieku wskazywały, że na Ziemi obserwujemy 5 razy mniej neutrin elektronowych ze Słońca, niż przewidują dobrze potwierdzone modele teoretyczne. Problem brakujących neutrin słonecznych udało się rozwiązać w 2001 roku, podczas eksperymentów przeprowadzonych w Kanadzie. Pokazały one, że strumień wszystkich rodzajów neutrin, docierających ze Słońca na Ziemię jest taki, jaki przewiduje się tylko dla neutrin elektronowych. Wynika z tego, że po drodze część neutrin elektronowych musi przekształcać się w mionowe i taonowe. Zjawisko to nazwano "oscylacją neutrin". Jest ono pośrednim dowodem na obecność niezerowej masy spoczynkowej u tych leptonów, bo według współczesnych teorii, przechodzić w siebie nawzajem (zmieniać rodzaj) mogą tylko neutrina mające masę spoczynkową.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski