Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Dlaczego świat zbudowany jest z materii, a nie z antymaterii?

Dlaczego świat zbudowany jest z materii, a nie z antymaterii?

W ostatnich dniach opublikowane zostały najnowsze wyniki eksperymentu GERDA, którego celem jest poszukiwanie odpowiedzi na fundamentalne pytania fizyki cząstek elementarnych. Międzynarodowy projekt angażuje naukowców z 16 europejskich jednostek badawczych, w tym również grupę z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Czy najnowsze osiągnięcia przybliżają nas do poznania prawdy o początkach Wszechświata?

Od wielu dekad naukowcy dążą do poznania zasad i prawideł rządzących Wszechświatem. Na przykład, wciąż nie jest do końca jasne, dlaczego dzisiejszy świat ma taką, a nie inną budowę. Celem badań prowadzonych w ramach projektu GERDA (GERmanium Detector Array) jest udzielenie odpowiedzi na najbardziej podstawowe zagadnienia współczesnej fizyki – jaka jest bezwzględna skala mas neutrin oraz czy są one swoimi własnymi antycząstkami. Brzmi enigmatycznie? A więc od początku.

Neutron w pieszczotliwej wersji

Neutrino, czyli cząstka elementarna o zerowym ładunku elektrycznym, bardzo słabo oddziałująca z materią, swoją nazwę zawdzięcza włoskiemu zdrobnieniu od neutronu. Tak, jak włoski pies (il cane) może stać się pieseczkiem (il canino), tak neutron znad Tybru (il neutrone) może zostać... neutronkiem (il neutrino). Autorem tego zdrobnienia, z którym dzisiaj oswojona jest już spora część społeczeństwa, jest Enrico Fermi. Ten sam, który zdobył w roku 1938 Nagrodę Nobla za odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych powstałych w wyniku reakcji z neutronami, a później pracował przy słynnym projekcie Manhattan, którego celem było skonstruowanie bomby atomowej. Od jego nazwiska pochodzi również nazwa całej rodziny cząstek – fermionów (do nich zalicza się także neutrino). Wraz z bozonami kategoryzują one wszystkie podstawowe cząstki elementarne. Mówiąc inaczej – każda cząstka będąca fundamentalnym budulcem Wszechświata jest albo fermionem albo bozonem. O ile te drugie przenoszą energię (należą do nich np. fotony), o tyle fermiony odpowiadają już w pełni za tworzenie fizycznej materii.

Przez pierwsze 20 lat, ze względu na brak możliwości detekcji, neutrino, jako nowa cząstka elementarna, istniało tylko teoretycznie. Poważne rozprawianie się z abstrakcyjnymi tworami, których nikt nigdy nie widział, nie jest dla fizyków zjawiskiem ani nowym, ani nadzwyczajnym. Wszak wiele licznych zależności fizycznych dawało się udowodnić dopiero po czasie, cierpliwie czekając w sidłach równań matematycznych na rozwój możliwości eksperymentalnych (vide: teoria względności Einsteina). Neutrino, będące z początku obiektem tylko teoretycznym, doczekało się swojego realnego, fizycznego odkrycia dopiero w latach 50 XX w. Czym tak naprawdę jest ta enigmatyczna cząstka, która przysparza naukowcom tak wielu wrażeń i kłopotów od przeszło stulecia?

Małe neutrino, wielki problem

Wolfgang Pauli, prawdziwy "ojciec" neutrin, w 1930 roku podjął się próby wyjaśnienia tajemniczego ubywania energii w trakcie radioaktywnego rozpadu beta (rozpadu jądra atomowego, w wyniku którego pierwotny nukleon przemienia się w inny, przy jednoczesnym wydzielaniu energii). Aby uratować zasadę zachowania energii, Pauli zaproponował występowanie emisji nowej, neutralnej cząstki materii o zerowej (lub zbliżonej zeru) masie (mały neutron). Przy wsparciu Fermiego, który rozpisał na potrzeby rozpadu beta równania matematyczne, neutrino wprowadzone do rozważań przez Pauliego stało się teoretyczną cząstką bardzo słabo oddziałującą z materią (tzw. teoria oddziaływań słabych) i w takiej formie przetrwało do roku 1956. Wówczas to eksperyment Reinesa i Cowana pozwolił na obserwację neutrin, jednoznacznie potwierdzając ich istnienie.

Niezwykle słabe oddziaływanie tych cząstek z materią (w związku z obojętnym elektrycznie ładunkiem), skutkuje tym, że tylko jedno na miliard neutrin przelatujących przez Ziemię jest w stanie wejść w reakcję z jakimkolwiek innym atomem napotkanym na drodze. Nie sprzyja to ich obserwacjom. Fakt, że najprawdopodobniej są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie, nie pociesza fizyków, których wiedza na temat neutrin wciąż jest bardzo ograniczona. Obecnie największą zagadką jest oszacowanie, ile tak naprawdę "ważą" te cząstki. Dodatkowego smaczku dodaje teza włoskiego fizyka Ettore Majorany, który – na podstawie teorii kwantowej – zaproponował, że neutrino może być także swoją własną antycząsteczką (tzw. cząstka Majorany).

Dlaczego fizycy tak zapalczywie dociekają poznania prawdy o neutrinach? Przede wszystkim, określenie ich własności bardzo pomogłoby w zrozumieniu zjawisk, które zachodziły we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu. Wówczas dominująca obecnie materia współistniała równolegle i równoważnie z antymaterią. Kluczową rolę w poznaniu przyczyny uzyskiwania stopniowej przewagi tej pierwszej nad drugą odgrywają właśnie neutrina.

Niewygodna antymateria

Wszystko przez podwójny bezneutrinowy rozpad beta, którego występowanie byłoby atrakcyjnym argumentem za tym, że krótko po Wielkim Wybuchu złamana została symetria pomiędzy materią i antymaterią, wskutek czego dzisiejszy świat jest (w znacznej mierze) materialny, a nie „antymaterialny”. Problem jednak w tym, że rozpad ten wykracza dosyć znacząco poza ramy tzw. Modelu Standardowego Cząstek, który kompleksowo opisuje  teorię współczesnej fizyki.

Co się dzieje w przypadku podjęcia próby zachowania jego zgodności z Modelem Standardowym? Staje się on wówczas po prostu zwykłym podwójnym rozpadem beta, w którym dwa neutrony z jądra zamieniają się równocześnie w dwa protony, a następnie emitowane są dwa elektrony (czyli materia) i dwa antyneutrina (czyli antymateria), zachowując tym samym wszystkie prawa fizyki np. zasady zachowania ładunku oraz liczb kwantowych. Jedną z nich jest tzw. liczba leptonowa (przyjmująca wartość L = +1 dla leptonów i L = -1 dla antyleptonów). Jest ona naturalnie zachowana w przypadku "klasycznego" podwójnego rozpadu. Mając jednak do czynienia z rozpadem bezneutrinowym, jej równowaga ulega zachwianiu. W jaki sposób?

Otóż, przyjmując teorię Majorany, mówiącą o tym, że neutrino jest swoją własną antycząstką (i vice versa), można zaryzykować pewną obrazową hipotezę. Rozpatrując podwójny rozpad bezneutrinowy jako dwa odrębne i równoczesne rozpady, w wyniku których w każdym z osobna powstaje proton, elektron i antyneutrino, wystarczy założyć, że jedno z antyneutrin będzie "widoczne" dla tego drugiego rozpadu jako neutrino i w ten sposób zostanie w nim niejako pochłonięte, czyli wyeliminowane.

W przypadku więc neutrinowego rozpadu podwójnego dwa neutrony (2 razy L = 0) ulegają konwersji do dwóch protonów (nie posiadających liczby leptonowej), dwóch elektronów (2 razy L = +1, czyli L = +2) i dwóch antyneutrin (2 razy L = -1, czyli L = -2). Kiedy – jak w przypadku bezneutrinowego rozpadu – antyneutrina nie występują, wówczas wynikiem procesu są dwa protony i dwa elektrony (więc L = +2). Niezachowanie liczby leptonowej (potwierdzone przez istnienie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta) otwierałoby więc możliwość zrozumienia asymetrii w układzie materia–antymateria. Co tak naprawdę dzieje się w trakcie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, nikt jeszcze nie wie. To, w jaki dokładnie sposób mógłby się odbyć, wciąż pozostaje tajemnicą.

Poszukiwanie igły w stogu siana

Zaobserwowanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, który jednocześnie potwierdziłby istnienie cząstki Majorany jest więc dzisiaj jednym z największych celów badawczych fizyki cząstek elementarnych. Doniosłość i waga takiej obserwacji dorównywałaby odkryciu bozonu Higgsa, za które w 2013 roku Nagrodę Nobla otrzymali Peter Higgs i François Englert.

Aby w ogóle zaobserwować podwójny rozpad beta, z przyczyn oczywistych trzeba mieć do czynienia z izotopem posiadającym parzystą liczbę protonów i neutronów (w przeciwnym razie rozpad nie mógłby być podwójny). Taką posiada  np. izotop germanu (76Ge). Byłby to jednak rozpad niezmiernie rzadki – dziś wiemy, że w ciągu roku zdarzałby się tylko raz (biorąc pod uwagę 18 kg 76Ge, gdyż taką ilością dysponują naukowcy biorący udział w eksperymencie). Nie jest więc łatwo go zaobserwować. Dodatkowych trudności przysparzają liczne zakłócenia pochodzące np. z promieniowania kosmicznego lub wszechobecnej promieniotwórczości naturalnej. Aby je wyeliminować, zespół GERDA wykorzystuje detektor umieszczony w podziemnym, wykutym w skale laboratorium w Gran Sasso we Włoszech (zdjęcie powyżej), obudowany materiałami wyselekcjonowanymi pod kątem minimalnej zawartości izotopów promieniotwórczych, w ten sposób eliminując wiele zakłóceń tzw. tła.

Ostatnie pomiary zostały wykonane z praktycznie zerowym tłem, skutecznie zwiększając efektywność badań. Dotychczasowe stwierdzenie braku sygnału pochodzącego od podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta umożliwiło oszacowanie dolnej granicy czasu połowicznego zaniku 76Ge. Wyniosła ona zawrotne 1026 lat, czyli 10 000 000 000 000 000 razy więcej, niż wynosi wiek Wszechświata! Dlaczego to takie ważne? Dlatego, że czas połowicznego zaniku można powiązać z efektywną masą neutrina (tzw. masa Majorany), a z kolei każda próba oszacowania tej wielkości pozwala na stopniowe wykluczanie poszczególnych modeli teoretycznych przewidujących różne alternatywy ewolucji Wszechświata. To zaś zbliża nas już bezpośrednio do poznania prawdy na temat jego początków i odpowiedzenia na pytanie, co tak naprawdę przeważyło nad podziałem ról pomiędzy materią i antymaterią.

Być może masa neutrina jest na tyle mała, że detektor GERDA nigdy nie będzie w stanie jej zmierzyć. Dlatego też przygotowywany jest już kolejny etap eksperymentu (projekt LEGEND), w którym planowane jest użycie znacznie większej ilości detektorów germanowych. W stosunku do GERDY możliwości pomiarowe wzrosną dziesięciokrotnie. Jest zatem nadzieja, że na kolejne przełomowe wyniki nie przyjdzie nam długo czekać.

----------------------------------

Ciekawe? Przeczytaj także:

Polecamy również
Spać, czy nie spać – oto jest pytanie