Oscylacje neutrin.

Oscylacje neutrin.

Kwarki a także neutrina składające się na materię wcale nie są od siebie niezależne. Pomiędzy nimi istnieje dozwolony przez mechanikę kwantów mechanizm oscylacji. Polega on na zamianie jednej cząstki elementarnej w drugą podczas jej podróży przez wszechświat. W taki więc sposób, poruszające się z prędkością bliską światłu neutrino, powiedzmy, elektronowe, może nagle stać się mionowym i vice versa. A dlaczego bliska światłu a nie równą owym prawie trzystu tysiącom km/s?
Otóż w tym momencie pojawia się problem. Zgodnie z prawami fizyki proces oscylacji może wystąpić tylko w przypadku cząstki posiadającej masę co niestety nie jest zgodne z przyjętym modelem standardowym. Jedną z jego fundamentalnych części jest tzw. dwuskładnikowa teoria neutrin. Zakłada ona, że neutrino i jego antycząstka różnią się od siebie tylko skrętnością (wyjaśniłem to we fragmencie o antymaterii). W przypadku cząstek nie można mówić o ich rotacji wokół osi, więc spin – czyli fizyczny moment pędu przedstawia się tylko jako wektor skierowany zgodnie lub przeciwnie do kierunku ruchu. Jeżeli dana cząstka porusza się z prędkością światła, to jej spin ma wartość absolutną (niezmienną). Co innego, jeżeli ma ona masę. Wówczas nie może już osiągnąć maksymalnej prędkości i, w zależności od przyjętego obserwatora, jej spin może zmieniać zwrot. Dlatego też model standardowy zakłada brak masy neutrin. Zatem jeżeli dowiedzie się oscylacji, upraszczając przy tym problem neutrin słonecznych, należy się wówczas pożegnać z aktualnym spojrzeniem na fizykę cząstek.
Pierwsze informacje o możliwej oscylacji neutrin doszły od znanego już ze swego zainteresowania tymi cząstkami F. Reinesa z jego eksperymentu przeprowadzonego przy tym samy reaktorze co słynne odkrycie z 1956 r. czyli Savannah River. Do dzisiaj jest prowadzona duża liczba eksperymentów mających dowieść możliwość zajścia oscylacji neutrin opierających się na różnych reakcjach i metodach obserwacji.
Głośne odbicie w światku fizyków znalazły ogłoszone w 1995 roku rezultaty eksperymentu prowadzonego w Los Alamos. Wyniki przemawiały za zachodzącą regularnie przemianą części neutrin mionowych w elektronowe. Doświadczenie było bardzo podobne do tego przeprowadzonego w latach sześćdziesiątych przez Schwartza, Ledermana i Steinbergera. Protony z akceleratora (LAMPF) trafiały do zbiornika z wodą, co powodowało dosyć obfitą produkcję mezonów ?, które w swoim późniejszym rozpadzie produkowały neutrina i antyneutrina mionowe. Te po przebyciu około 30 m trafiały na detektor antyneutrin elektronowych (LSND – Liquid Scintillator Neutrino Detector). W ciągu czterech miesięcy pomiarów zaobserwowano 80 zdarzeń związanych z antyneutrinami elektronowymi, z czego około 40 to cząstki pochodzące z tła (promienie kosmiczne). Zatem pozostała reszta to wyraźny wynik oscylacji neutrin mionowych w elektronowe.
Na podstawie tych danych określono różnicę mas dwóch rodzajów neutrin na około 2.4 eV. Jednostka ta ma pochodzenie mechaniczno-kwantowe. Elektronowolt jest w fizyce jednostką energii, a stała się miarą masy dzięki równaniu E=mc2 Alberta Einsteina. Po części stało się to w celu uproszczenia równań mechaniki kwantów, w której stałą prędkość światła traktuje się jak jedność. Po uwzględnieniu tego faktu 1eV można przyrównać bardziej „ziemskiej” wielkości 1.8 10-36 kg.
Jednak pomimo zaskakujących rezultatów wyniki nie zostały dobrze przyjęte, a to z powodu skandalu. Autorzy raportu opublikowali go w pierwszej kolejności w „New York Timesie”, a nie w periodykach światka naukowego, co było powodem złamania zasad protokołu i tym samym nieżyczliwego stanowiska naukowców.

Znając odległość jaką przebywa neutrino można określić jakie jest przy tym prawdopodobieństwo zajścia oscylacji jednego typu w drugi. Do obliczeń stosuje się wówczas wzór:
Gdzie L jest przebytym przez cząstkę dystansem, ?m2 kwadratem różnicy mas dwóch rodzajów neutrin, a E energią niesioną przez cząstkę (wyznaczaną z modelu słonecznego).
Dla danego kąta ? prawdopodobieństwo jest największe przy
zatem w celu określenia małej różnicy mas cząstek stosunek L/E powinien być jak największy. Dla mniejszych odległości taką samą wartość ?m można otrzymać przy mniejszej energii neutrina.