Co odróżnia neutrino od pozostałych cząstek? (1)
Nie jest celem tej notki przedstawienie systematycznego opisu cząstek elementarnych. Ograniczymy się więc do skrótowego przeglądu rodziny cząstek, do której neutrino przydzielono, leptonów. Należą do nich: elektron, mion (m),taon (t),neutrina tych trzech cząstek (trzy i tylko trzy rodzaje neutrin, co w sposób przekonywujący potwierdziło doświadczenie, a także obserwacje astronomiczne), oraz ich antycząstki. Wszystkie są fermionami posiadającymi spin połówkowy. Cząstki te nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych, wszystkie jednak uczestniczą w oddziaływaniach słabych jako cząstki rozpadające się lub jako produkty rozpadu. Połowa z nich, ta obdarzona ładunkiem, oczywiście oddziaływuje elektromagnetycznie; neutrina, jak już wiadomo, nie. Ta właśnie cecha wyróżnia neutrina spośród wszystkich innych cząstek. Inną ich wyjątkową cechą jest kierunek spinowego momentu pędu, istnienie tak zwanej skrętności. W tym momencie trzymać się będziemy wyobrażeniowej interpretacji spinu jako wielkości związanej z samoistnym ruchem obrotowym cząstki, którego istnienie w istocie swej jednak nie podlega żadnym uwarunkowaniom zewnętrznym. Nie wnikamy przy tym w to, że na ogół cząstki traktuje się jako pozbawione wymiarów zewnętrznych (punktowe), oraz, że spin jest wielkością o charakterze kwantowym.
[Spin, w gruncie rzeczy nie jest wielkością określającą rotację całej cząstki. Nie wystarczy też stwierdzić, że określa go jej moment pędu. Wszak masy cząstek o tym samym spinie (na przykład 1/2) są zróżnicowane, co wcale nie znaczy, że obracają się z taką, a nie inną prędkością kątową (odwrotnie proporcjonalną do masy). W dodatku, nie do wykluczenia jest sąd, że cząstki nie są absolutnie punktowe, że raczej posiadają niezerowe rozmiary, a nawet kształt, że są tworami złożonymi (bez związku z tym, że w skutek nieoznaczoności te ich osobiste cechy nie są dziś możliwe do uchwycenia). Gdyby patrzeć na to strukturalnie, można nawet popełnić hipotezę, że spin, np. 1/2 charakteryzuje jakiś powtarzalny element budowy cząstki. Ale odbiegliśmy od tematu.]
Mimo wszystko, dla upoglądowienia sprawy i bez uszczerbku dla istoty naszych przemyśleń, przyjmijmy dla rozważań jakościowych, uproszczony model, w którym cząstka rotuje. Nie wnikamy przy tym w wartość spinowego momentu pędu, który w gruncie rzeczy nie jest wielkością opisującą specyficzne cechy określonej cząstki, a swe źródło ma, jak powyżej wspomniałem, w „hipotetycznej” strukturze cząstek (z tego powodu różne cząstki mają ten sam spin, np. 1/2). Tak swoją drogą sam (chyba niewątpliwy) fakt rotacji wszystkich bez wyjątku cząstek (a także ciał niebieskich) zastanawia swym potencjałem heurystycznym. Tu przyjmujemy jedynie to, że kierunek osi obrotu odpowiada kierunkowi spinowego momentu pędu. To wystarczy.
Nietrudno zauważyć, że istnieją dwie skrajne opcje rotacji cząstek względem kierunku ruchu postępowego (nie koniecznie mowa o cząstkach subatomowych): prostopadła i równoległa. Oś obrotu cząstki może być bowiem prostopadła do kierunku jej ruchu lub współliniowa z kierunkiem ruchu postępowego (w kierunku zgodnym lub przeciwnym). W drugim przypadku mamy do czynienia ze skrętnością.
Wróćmy do naszych cząstek. Zwróćmy uwagę na to, że szkolna podstawowa definicja momentu pędu bryły nie w pełni pasuje do cząstek elementarnych. Z jednej strony bowiem traktujemy je jako punkty materialne, z drugiej zaś jako kulki (ciało sztywne), gdyż tylko przy niezerowych rozmiarach obiektu mówić można o niezerowym, własnym, „osobistym”, właściwym tylko tej cząstce, momencie pędu.
„Nie ma tu sprzeczności, gdyż światem cząstek elementarnych rządzą prawa mechaniki kwantowej, określające probablistyczny charakter, prametrów przestrzennych i dynamicznych cząstki” – można stwierdzić. Czy to już rzecz wyjaśnia? Oczywiście, że nie. Wyraża tylko niezmąconą wiarę w nieomylność aktualnego modelowania rzeczywistości. W kontekście tym warto zauważyć, że w rzeczywistości, cząstki nie są obiektami punktowymi (niezależnie od tego, jaki jest aktualny stan wiedzy). Własny moment pędu cząstki jest więc rzeczą jak najbardziej realną, nawet bez uciekania się do dogmatycznych stwierdzeń w stylu: „to przecież wynika z mechaniki kwantowej” (z całym dla niej szacunkiem). Sam spin, jak wiemy, jest wielkością o charakterze relatywistycznym, co wcale nie musi być sprzeczne z tym „mechanistycznym” traktowaniem cząstek. Inna sprawa, że, jak wiadomo, teoria odnosi się do cząstki jak do punktu materialnego, niezależnie od tego, że opis jej uwzględnia dualizm korpuskularno-falowy, a interpretacja jej parametrów fizycznych ma charakter probablistyczny. To jednak w gruncie rzeczy uniemożliwia zasadniczo wgląd poznawczy w jej ewentualną strukturę, jeśli nie można jej zbadać poprzez bombardowanie innymi cząstkami (tutaj chodzi przede wszystkim o nukleony). Dla przykładu, struktura elektronu nie jest znana pomimo ogromnych sukcesów „teorii standardowej”, a w wersji wcześniejszej, elektrodynamiki kwantowej. Na ogół więc, w publikacjach o charakterze popularnym, podkreśla się, że określenie spinu jako obrotu wokół osi, nie jest w pełni adekwatne, choć ukierunkowuje stosownie wyobraźnię czytelnika. Jednak, w kontekście naszych rozważań, traktowanie cząstek jako punktów materialnych mija się z celem.
Jaki jest więc kierunek spinu neutrin? Okazuje się, że neutrina (wszystkie) różnią się w sposób zasadniczy od pozostałych cząstek, tym mianowicie, że kierunek ich spinu, wszystkich trzech znanych neutrin oraz ich anty-, jest równoległy (lub antyrównoległy) do kierunku ich ruchu postępowego, co oznacza istnienie skrętności (helicity). Skrętność jest rzutem spinu na kierunek ruchu. Jest to cecha wyjątkowa, swoista dla neutrina. W odróżnieniu od pozostałych cząstek (odddziaływujących elektromagnetycznie), oś jego obrotu jest, jak już wspomniałem, równoległa (lub antyrównoległa) do kierunku ruchu. Te dwie możliwości stanowią o rozróżnieniu pomiędzy neutrinem i antyneutrinem. Tak nawiasem mówiąc, to bardzo interesujące, gdyż spin pozostałych cząstek (dla przypomnienia, oddziaływujących elektromagnetycznie) zasadniczo, choć nie koniecznie, jest prostopadły do kierunku ich ruchu potępowego, co oznacza ich (w tym przypadku) zerową skrętność. Dla przykładu, elektron obracać się może w dwóch kierunkach i co najważniejsze, jego spin nie decyduje o tym, czy jest cząstką, czy też antycząstką. Prostopadłość kierunku jego spinu do kierunku ruchu postępowego, wiąże się z tym bezpośrednio. Elektrony są identyczne, a rotacja, w prawo (lub lewo) w stosunku do kierunku ruchu postępowego, nie jest cechą niezmienniczą określonej cząstki, gdyż zależy od tego, jak patrzymy (od strony którego bieguna). Tak to sobie można wyobrazić. Zauważmy, że przy tym fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Czy to przypadek? Z całą pewnością nie. Nawet nie trzeba odwoływać się do uczonych teorii i równań niedostępnych laikowi, by dojść do takiego wniosku.
Wracając do porównania neutrina z pozostałymi cząstkami, zauważmy, że przedstawione zostało ono w sposób jakby mechanistyczny. Czy słusznie? Wszak w tej skali rządzą prawa mechaniki kwantowej. Wyrazem tego jest nieoznaczoność. Dla przykładu, pęd elektronu (w tym tego z rozpadu beta) nie może być, wraz z jego położeniem (równocześnie), wyznaczony w sposób jednoznaczny. Nieoznaczoność ogranicza wgląd w dynamiczne cechy układów. Najbardziej poglądowym przykładem tego jest powłoka elektronowa atomów – „chmura” zamiast klasycznie planetarnych orbit. W tym kontekście rozważanie konkretnych cech dynamicznych elektronu uznać można za nieporozumienie. Także problem rzutu jego spinu na kierunek ruchu traci swe ostrze. Czy rzeczywiście? Czy nieoznaczoność jest cechą obiektywną Przyrody, czy też cechą Jej obserwowalności? To już odwieczne pytanie. Choć coraz rzadziej się je słyszy, gdyż kwantowe myślenie zdominowało naszą wyobraźnię, warto pytanie to przywołać w kontekście naszych rozważań.
