Co odróżnia neutrino od pozostałych cząstek? (2)
Do niedawna przyjmowano, że masa spoczynkowa neutrin równa jest zeru (niekiedy z dodaniem uwagi: „w granicach błędu pomiarowego”). Uzasadnienie tej tezy wbrew pozorom jest dość proste i logiczne. Gdyby bowiem masa spoczynkowa neutrina nie była równa zeru, to poruszałoby się ono wolniej niż światło. Jeśli tak, to obserwator poruszający się szybciej od neutrina, choćby minimalnie i oczywiście wolniej niż światło, po wyprzedzeniu go, patrząc tym razem do tyłu, stwierdziłby, że pozostawia za sobą antyneutrino. W samej rzeczy. Cząstka, którą wyprzedził, z jego punktu widzenia, teraz oddala się, przy czym kierunek skrętności jest zachowany, co sprawia, że staje się antycząstką. Dodajmy do tego, że neutrino wkręca się w kierunek ruchu w lewą stronę (jak śruba lewoskrętna), a antyneutrino w prawą stronę. Okazuje się jednak, że są to dwie różne cząstki, których właściwości nie mogą przecież zależeć od położenia obserwatora, to znaczy wyboru układu odniesienia.Wykazano to doświadczalnie. Przedstawione powyżej rozumowanie służy za „dowód” tego, że masa neutrina równa jest zeru, a ono porusza się z prędkością światła.
Czy jest to jednak dowód niezbity? Co na to eksperyment? W roku 1995 w Los Alamos oszacowano eksperymentalnie masę neutrin na 0,5 eV – 5 eV.W1998 roku, podczas eksperymentu w urządzeniu Super Kamiokande (Japonia) wykazano istnienie oscylacji neutrin atmosferycznych. Oscylacje neutrin są właściwie bezpośrednim dowodem na to, że neutrina posiadają masę. A co na to teoria? Otóż Model Standardowy nie przewiduje niezerowej masy neutrin. Do niedawna wprost dominowało przekonanie, że neutrina nie posiadają masy spoczynkowej, jak fotony. Nic dziwnego, że wprowadzenie ich do teorii wprost pociągnęło za sobą konieczność dokonania zmian, powiedziałbym: nieestetycznych już w samym formaliźmie teorii. Wygląda to jednak, jak sztuczne łatanie dziur i sprawia wrażenie niespójności z modelem ogólnym. Masa neutrin jest więc do dziś zagadką pomimo zgodności tego (pełzającego) opisu z eksperymentem. W ogóle, dla obowiązującej dziś teorii standardowej wyjaśnienie wielkości mas także pozostałych cząstek (dlaczego taka, a nie inna?) jest także poważnym problemem, właściwie wyzwaniem na przyszłość.*
Niezerowość masy neutrin oznaczać by miała, że ich prędkość mniejsza jest od prędkości światła. Konkluzja ta nie bardzo pasuje jednak, przynajmniej intuicyjnie, do ustalenia, że neutrino i antyneutrino, to dwie różne cząstki (w związku z przytoczonym powyżej „dowodem” na to, że neutrino porusza się z prędkością c). Czy zatem coś tu pachnie niekonsekwencją? Widocznie to, co „z braku laku” dziś uznane jest za „stan wiedzy”, stanowi właściwie tylko „modus vivendi”. Stwierdziłem to nie po raz pierwszy. Dalej podejmiemy próbę zmierzenia się z tematem. Co otrzymamy przyjmując, że neutrino porusza się szybciej niż światło? Zanim odpowiemy, zauważmy, że przytoczony powyżej „dowód” słuszny jest także dla tej sytuacji.
Oto próba. Przede wszystkim, sądząc po wyniku wspomnianego wyżej doświadczalnego pomiaru masy neutrina, raczej powinniśmy zaakceptować tezę, że masa tych cząstek nie jest równa zeru. Wraz z tym jednak, obstawanie przy twierdzeniu, że ich prędkość jest mniejsza od c, prowadzi do sprzeczności z twierdzeniem, że nie może taką być. Podałem przecież „dowód” logiczny tego twierdzenia. Nie należy go lekceważyć. Jedynym wyjściem dającym szansę na rozwiązanie kwestii jest przyjęcie za dopuszczalną możliwość, że cząstki te poruszają się szybciej, niż światło. Konsekwencje tego są bardzo interesujące. To także przywróci wiarę w możliwość koherentnego opisu sprawy.
Wyjdźmy więc z tego założenia. Od razu zauważamy, że tylko w tym przypadku prędkość neutrina zasadniczo nie może być równa zeru względem ciał należących do naszego podświetlnego świata.Gdybyprędkość neutrin była mniejsza od c, ich energia kinetyczna zależna byłaby od układu odniesienia. Mogłaby być na przykład zerowa. Nie istniałaby możliwość jej jednoznacznego określenia (w związku z jej względnością). Dla przykładu, energia neutrin powodujących rozpad jąder tlenu w Kamiokande, nie mogłaby być określona. A jednak mowa tu o neutrinach jednoznacznie wysoko-energetycznych. Co w tej sytuacji miałoby stanowić o możliwości rozróżnienia neutrin ze względu na ich („osobistą”, nawet niezmienniczo) energię? Jaki nieznany parametr, w dodatku niezmienniczy względem układów odniesienia, różnicowałby tę energię? Pytanie wcale nie tuzinkowe. Na razie powołanie do życia takiego parametru byłoby mnożeniem bytów (jak się okaże dalej – ponad potrzebę). W kontekście tym przypuszczać można, że o energii osobistej neutrin decydować powinna mimo wszystko ich (względna, bo nie inwariantna) prędkość, pod warunkiem, że ta względność nie dotyczy naszego, podświetlnego, świata. Można przypuszczać, że byłoby to nawet spójne z doświadczalnym obrazem rozpadów jąder rejestrowanych w detektorach neutrin. A rozpad beta? I tym się zajmiemy.Wracając do przerwanego wątku zauważmy też, żewzględność ruchu istniejąca w naszym świecie nie może dotyczyć (w naszych oczach) obiektów znajdujących się po drugiej stronie osi wyznaczonej przez niezmienniczą (i nieosiągalną) prędkość c. Już choćby dlatego, gdyż żaden obiekt materialny nie może, przyśpieszając, prędkości tej przekraczać. Nasza względność ruchu nie dotyczy więc neutrin. W samej rzeczy. Gdyby neutrino poruszało się z prędkościami mniejszymi, niż c, możliwa byłaby sytuacja, w której względem jakiegoś obserwatora, jego prędkość byłaby zerowa. Jednak, gdyby możliwa była taka sytuacja, neutrino faktycznie nie istniałoby. Co z zasadą zachowania liczby leptonowej? Musiałoby się bowiem zdecydować, czy jest neutrinem, czy antyneutrinem. A przecież tożsamość cząstki nie może zależeć od układu odniesienia. W związku z tym zresztą cała materia w oczach nieszczęsnego obserwatora musiałaby się zdecydować na to, czy jest materią, czy też antymaterią. Oto jeszcze jedna przesłanka za tym, że neutrino porusza się szybciej, niż światło.
Jak to jest więc z energią neutrin?
Kluczem do jej określenia jest rozpadbokreślonej porcji jakiegoś pierwiastka promieniotwórczego (lub rozpad neutronu).Interesujące jest widmo energetyczne jednego z produktów tego rozpadu, elektronów. Ilustruje to wykres poniżej.
Na nim: N – liczba elektronów. Widzimy, że jest to widmo ciągłe, co oznacza, że w określonym przedziale reprezentowane w nim są wszelkie energie, nie większe jednak od pewnej granicznej, maksymalnej. Badania wykazały, że energia jąder emitujących elektrony nie jest zależna od rozrzutu energii elektronow przez nie emitowanych. Na pierwszy rzut oka jest to sprzeczne z zasadą zachowania energii. Nie spełnione też są zasady zachowania pędu i krętu, co uwidacznia się w analizie torów emitowanych elektronów i spinów cząstek uczestniczących w rozpadzie. Wprowadzenie do gry neutrina natychmiast rozwiązuje ten problem. Wszystkie trzy podstawowe zasady zachowania są spełnione potwierdzając swą uniwersalność. Sprawdzian spełnialności tych zasad stanowi nawet procedurę badawczą. Powróćmy do neutrina. Przyjmijmy na początku lojalnie, że jego prędkość mimo wszystko równa jest c (co oznacza, że jego masa spoczynkowa równa jest zeru). Co więc stanowi o zróżnicowaniu energii neutrin? Wszak rozkład energii elektronów (nasz wykres) wiąże się z tym bezpośrednio. Czy częstotliwość? Czego? Z całą pewnością nie promieniowania elektromagnetycznego (E = hn), z wiadomych powodów. Może jakiejś „fali neutrinowej”? Oj, nie mnóżmy bytów! Wynikałoby stąd, że masa neutrin jest różna od zera, a ich prędkość siłą rzeczy większa jest od c (wykazaliśmy, że mniejszą być nie może). I nie ważne jak my tę masę widzimy (naszą wyobraźnią) za pomocą fotonów. Już wcześniej, w innej notce, wysunąłem hipotezę, że dla nas jest liczbą zespoloną o niezerowej części rzeczywistej, zależnej od prędkości: im prędkość mniejsza, tzn. bliższa c, tym mniejszy jest składnik rzeczywisty masy zespolonej i dąży do zera gdy v→ c. [Odpowiedni zapis ilościowy znajdziecie w książce] Zróżnicowanie energii emitowanych antyneutrin związane jest więc ze zróżnicowaniem ich prędkości**, w każdym przypadku większych od c (patrz refleksja powyżej, zapisana inną czcionką i urywek zapisany tłustym drukiem).
Ale to jeszcze nie wszystko. To wstęp, to krótki szkić, traktujący o neutrinie, zainspirowany przez wynik przeprowadzonego niedawno doświadczenia (w CERN – Gran Sasso). Zainteresowanych tematem odsyłam do książki:„Pofantazjujmy o Wszechświecie II. W głąb materii: grawitacja w podwymiarach”
*)Ta„przyszłość” już się spełnia.By się o tym przekonać, wystarczy nabyć pewną książkę.
**)W rozpadzie beta rejestrowane są elektrony (nie neutrina). Oczywiście prędkość elektronów, a więc także ich energia kinetyczna, ma charakter względny. W przypadku omówionego doświadczenia mamy jednak do czynienia np. z kryształem kobaltu, będącym w spoczynku względem laboratorium. Prędkość emitowanych cząstek (względem laboratorium) można więc określić jednoznacznie.
