Obowiązująca teoria mikroswiata wymaga rewizji - NEUTRINOWE ZAMIESZANIE

Stanisław Mrówczyński

Po przeszło 40 latach rozwikłano w końcu zagadkę słonecznych neutrin. Potwierdzono, że neutrino - ten najbardziej osobliwy okaz w menażerii cząstek elementarnych - zmienia swą tożsamość w drodze ze Słońca na Ziemię, przekształcając się z neutrina elektronowego w mionowe. Ta niezwykła umiejętność wymaga, by wbrew obowiązującej teorii neutrino obdarzone było choćby niewielką masą. To zaś oznacza, że owe widmowe cząstki, wnosząc swoją dolę do globalnego bilansu energii, grają pierwsze skrzypce w kosmicznej harmonii sfer. Wszechświat jest bowiem oceanem neutrin.

Neutrino wielokrotnie dostarczało fizykom kłopotów - wymykało się obserwacji, zmuszało do odrzucenia oczywistych zdawałoby się prawd. Paradoksalnie jednak, nie ma ono genealogii rewolucyjnej, lecz jak najbardziej konserwatywną - wymyślono je w roku 1930, aby ratować jedno z kardynalnych praw fizyki - zasadę zachowania energii. Systematyczne badania tzw. rozpadu beta jąder atomowych sugerowały, że łączna energia produktów rozpadu jest mniejsza niż energia początkowa. Wiedziano, że energia może zmieniać swoją formę. Czyżby jednak mogła zanikać lub rodzić się z niczego? Wielki Niels Bohr był już gotów zaakceptować taką kwantową nowość, jednak Wolfgang Pauli znalazł remedium na „energetyczny kryzys”. Doszedł mianowicie do wniosku, że brakującą energię unosi nie obserwowana cząstka. Swój pomysł sformułował słynnym w liście do fizyków zebranych w Tybindze, dokąd nie przyjechał „ze względu na odbywające się w Zurichu tańce”. Po wielu latach Pauli pisał o neutrinie jako ,,o głupiutkim dziecku kryzysu życia, które i później głupio się zachowywało”. Sformułował bowiem hipotezę istnienia tej cząstki w czasie, gdy porzuciła go żona. (,,Żeby jeszcze dla pogromcy byków, ale dla zwykłego chemika.”)

Neutrina fantastycznie słabo oddziałują z materią, przelatują przez nią, nie zostawiając żadnych niemal śladów. Z tego powodu przez ćwierć wieku nie udawało się zarejestrować tej cząstki widma. Dopiero reaktory jądrowe - pierwsze zbudowano w latach II wojny światowej - umożliwiły obserwację neutrin. Reakcjom dzielenia jąder atomowych, jakie zachodzą w reaktorach, towarzyszy niezwykle obfita produkcja tych cząstek. Wyliczono, że w ciągu sekundy rodzi się w reaktorze ich liczba tak wielka, jak jedynka z 20 zerami. Dysponując tak potężnym źródłem, dwaj fizycy z Los Alamos - Frederick Reines i Clyde Cowan przeprowadzili w 1956 roku rozstrzygający eksperyment. Ogromny detektor ustawiony przy reaktorze zarejestrował sygnały pochodzące od neutrin. O sukcesie powiadomiono telegraficznie Pauliego, który miał powiedzieć: ,,cierpliwi wygrywają”. Od napisania słynnego listu upłynęło wszak ponad ćwierć wieku. Frederick Reines otrzymał nagrodę Nobla dopiero jesienią 1995 roku - czekał więc na swój dzień prawie cztery dekady. Clyde Cowan nie dożył tej chwili.

W gorącym wnętrzu Słońca zachodzą reakcje jądrowe prowadzące do powolnej przemiany wodoru w hel i powstawania cięższych pierwiastków. Reakcjom tym, dzięki którym otrzymujemy życiodajne ciepło, towarzyszy, podobnie jak procesom w ziemskich reaktorach, emisja neutrin. Jednak Słońce jest miliard razy wydajniejszym źródłem. W każdej sekundzie biliony słonecznych neutrin przecinają nasze ciało nie czyniąc nam najmniejszej szkody. W latach 50-tych zbudowano ogromny detektor, który umieszczono w kopalni złota w Południowej Dakocie na głębokości 1,5 km. Chodziło o odizolowanie się od wszelkich źródeł promieniowania. Detektor stanowiło 15000 litrów cieczy zawierającej chlor. Neutrino oddziałując z jądrem chloru powoduje jego przemianę w radioaktywne jądro argonu, które po pewnym czasie znów się rozpada w jądro chloru. Rozpad ten można zarejestrować i tym samym stwierdzić obecność neutrin. Ze względu na fantastycznie małe prawdopodobieństwo wspomnianego procesu, udawało się zaobserwować w wielotonowym detektorze zaledwie jeden atom argonu raz na kilka dni. Teoretyczne obliczenia przewidywały większą liczbę. Początkowo nie bardzo przejmowano się rozbieżnością - eksperyment był niebywale trudny, więc łatwo o pomyłkę. W ciągu 40 lat podobne pomiary wielokrotnie powtarzano w wielu laboratoriach. Rejestrowana liczba neutrin była wciąż mniejsza od oczekiwanej.

Początkowo znano tylko jeden typ neutrina. Obecnie rozróżniamy trzy rodzaje: elektronowe, mionowe i tauonowe. Aby rozwiązać zagadkę słonecznych neutrin, Władymir Gribow i Bruno Pontecorvo sformułowali w 1968 roku przypuszczenie, że różne typy neutrin mieszają się wzajemnie, tzn. neutrino np. elektronowe zamienia się z upływem czasu na np. mionowe, by po pewnym czasie stać się znów elektronowym. Takie zachowanie nie jest bynajmniej rzadkością w świecie rządzonym przez mechanikę kwantową. A zatem, część neutrin elektronowych emitowane ze Słońca przekształcałyby się w drodze na Ziemię w neutrina mionowe lub tauonowe, które tutaj nie byłyby już rejestrowane przez aparaturę nastawioną na neutrina elektronowe. Należy tutaj jednak podkreślić, że zgodnie z Modelem Standardowym, stanowiącym obowiązującą teorię mikroświata, neutrina, podobnie jak kwanty światła - fotony, są całkowicie bezmasowe. Wyklucza to zmianę jednych neutrin w drugie; mieszanie bowiem wymaga masy.

W miejscowości Kamioka na północny zachód od Tokio jest kopalnia rud metali kolorowych. Tutaj, półtora kilometra pod powierzchnią Ziemi umieszczono ogromny zbiornik doskonale czystej wody. Ze ścian tego naczynia wpatruje się w wodę ponad 11 tyś. wielkich oczu - fotopowielaczy zdolnych zaobserwować pochodzące od neutrin błyski. To całe urządzenie - zbudowany za 100 mln dolarów detektor Super-Kamiokande - może rejestrować zarówno neutrina przybywające do nas ze Słońca, jak i te powstające w górnych warstwach atmosfery, gdy wdzierają się tam kosmiczne promienie - rozpędzone cząstki, głównie protony, bombardujące naszą planetę ze wszech stron. Neutrina atmosferyczne mają średnio dużo większą energię niż słoneczne i łatwiej je zarejestrować. Ziemia nie stanowi dla neutrin niemal żadnej przeszkody, więc można obserwować zarówno te atmosferyczne neutrina powstałe kilkanaście kilometrów ponad Kamioką, jak i te które przybyły z antypodów, po przeleceniu 13 tyś. km. Szczegółowa analiza każdego neutrinowego błysku, których następuje nie więcej niż kilkanaście w ciągu doby, pozwala stwierdzić, czy mamy do czynienia z neutrinem elektronowym czy mionowym, z jakiego kierunku neutrino przyleciało i jaką miało energię. Pozwoliło to stwierdzić, że do detektora dociera niemal dwukrotnie więcej neutrin mionowych z góry niż z dołu. Prowadzi to natychmiast do wniosku, że część neutrin mionowych lecących wzdłuż średnicy Ziemi zamienia się po drodze w neutrina tauonowe. W ten sposób potwierdzono w 1998 roku hipotezę mieszania neutrin, tyle że nie słonecznych, lecz atmosferycznych.

Drugi wielki detektor neutrin, znany jako SNO - Sudbury Neutrino Observatory, jest również ulokowany głęboko pod ziemią. Znajduje się w kopalni niklu w pobliżu Sudbury, w kanadyjskiej prowincji Ontario. Poza wielkim, podobnym do tego z Kamioki, zbiornikiem krystalicznie czystej wody, detektor SNO uzupełnia mniejsza kula wypełniona tysiącem ton też wody, lecz tzw. ciężkiej, w której atomy zwykłego wodoru zastępuje deuter. Dzięki zwykłej wodzie można było określić liczbę neutrin słonecznych, nie rozróżniając ich typu. Natomiast ciężka woda pozwala stwierdzić, ile do nas dociera neutrin elektronowych. Prowadząc nieprzerwane pomiary od listopada 1999 roku do stycznia 2001, wyznaczono strumień neutrin elektronowych. Dla określenia zaś łącznego strumienia neutrin wykorzystano wyniki Superkamiokande. Znając te dwie liczby oraz wiedząc, że Słońce jest niemal wyłącznie źródłem neutrin elektronowych, można było stwierdzić i ogłosić 19 czerwca tego roku, że dwie trzecie tych cząstek zmienia swoją tożsamość w drodze na Ziemię.

Jak już wspomniałem, zjawisko mieszania neutrin nie mieści się w ramach Modelu Standardowego. Nie jest to jednak dla teoretyków powodem do wielkiego zmartwienia. Wręcz przeciwnie. Od lat bowiem budowane są teorie wychodzące poza ten model, których celem jest określenie wszelkich sił i form materii, własności przestrzeni i czasu za pomocą jednej zasady, jednej złotej formuły. Jednak realizacja tego programu ugrzęzła w gąszczu teoretycznych pomysłów. Odkrycie mieszania neutrin pomoże zapewne określić kierunek, w którym trzeba fedrować, żeby trafić na „ogólną teorię wszystkiego”. Doniesieniea z Kamioki i Sudbury mają również kapitalne znaczenie dla kosmologii. Odpowiedź na pytanie czy Wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność, czy też od pewnego momentu zacznie się kurczyć, zależy od gęstości wypełniającej go energii. Jej wielkość wciąż słabo znamy. Obserwacja wielu układów galaktycznych, szczególnie ruchu gwiazd wokół środków ciężkości galaktyk, podobnego do ruchu Ziemi dookoła Słońca, wskazuje, że poza energią zawartą w materii tworzącej gwiazdy istnieją jej inne nieświecące, a więc niewidoczne formy. „Ciemną” materię mogą tworzyć właśnie obdarzone masą neutrina, które, choć bardzo lekkie, występują w wielkiej, trudno wyobrażalnej liczbie. Wyniki eksperymentów Super-Kamiokande i SNO sugerują, że znaczną część masy ogromnego Wszechświata niosą właśnie te widmowe cząstki.

(POLITYKA 30, 2001)