fbTrack
REKLAMA
REKLAMA

Nauka

Nobel za cząstki duchy

Takaaki Kajita
Materiały
Japończyk Takaaki Kajita i Kanadyjczyk Arthur B. McDonald nagrodzeni za wyjaśnienie zagadki nieuchwytnych neutrin.

W każdej sekundzie miliardy neutrin przenikają nasze ciała. Nie czujemy ich, ponieważ poruszając się z prędkością bliską światła, nie wchodzą praktycznie w żadne reakcje z materią. Są nieuchwytne. Prace nagrodzonych fizyków nie tylko ujawniły niespotykane właściwości tych cząstek-duchów, ale podważyły fundamenty tzw. Modelu Standardowego - podstawowej teorii fizyki cząstek elementarnych.

Według Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk obserwacje te pozwalają zrozumieć „wewnętrzne mechanizmy funkcjonowania materii, co jest podstawą wiedzy o całym wszechświecie".

Eksperymenty noblistów umożliwiły odkrycie tzw. oscylacji neutrin, co wskazuje, że neutrina mają masę. Co to zmienia? Te obserwacje dowodzą, że obecnie przyjmowane teorie są niekompletne. Naukowcy mówią nawet, że sprawa neutrin to pierwszy poważny wyłom w Modelu Standardowym. I wrota do nowej fizyki.

Takaaki Kajita z Uniwersytetu Tokijskiego oraz Arthur B. McDonald z Queen's University podzielą się kwotą 8 mln koron, czyli 3,6 mln zł.

Nauka kilometr pod ziemią

Neutrina to niezwykłe cząstki. Fizyk (gdy będzie chciał wprawić słuchaczy w zakłopotanie) powie, że należą do leptonów, mają niecałkowity spin równy 1/2 i zerowy ładunek elektryczny. Jeszcze kilkanaście lat temu ten sam fizyk powiedziałby, że nie mają masy – to właśnie dzięki doświadczeniom tegorocznych noblistów wiemy, że jest inaczej. Mają niewielką masę, choć – co zabawne w kontekście Nagrody Nobla – nie wiadomo jaką.

Dla nas istotniejsze jest jednak to, że neutrina to jedne z najpowszechniej występujących cząstek we wszechświecie – więcej jest tylko fotonów. Powstały podczas Wielkiego Wybuchu, rodzą się w gwiazdach, eksplodujących supernowych, w elektrowniach jądrowych i naszych ciałach.

Ich istnienie zaproponował Wolfgang Pauli, który w 1930 roku zasugerował, że brakującą część energii powstającej podczas jednej z reakcji należy przypisać cząstce bez ładunku, bardzo lekkiej i nieoddziałującej z materią. „Zrobiłem rzecz straszną – napisał Pauli – zaproponowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć".

Kilka lat później Enrico Fermi stworzył teorię istnienia takich cząstek, które zyskały nazwę od włoskiego zdrobnienia neutronu.

Żeby je zobaczyć, naukowcy musieli jednak czekać do 1956 roku. Dziś do obserwacji neutrin budują gigantyczne detektory głęboko pod ziemią. Japoński Super-Kamiokande to zbiornik superczystej wody o masie 50 tys. ton umieszczony kilometr pod ziemią w kopalni cynku. Kanadyjski Sudbury Neutrino Observatory to 1000 ton ciężkiej wody na głębokości 2 km w kopalni niklu.

Naukowcy obserwują neutrina w ten sposób, że liczą rozbłyski po uderzeniach cząstek duchów w jądra atomów lub w elektrony. Powstaje wówczas tzw. promieniowanie Czerenkowa, wykrywane przez czujniki. To jednak bardzo rzadkie zdarzenia. Choć w każdej sekundzie na jeden centymetr kwadratowy „spada" 60 mld neutrin, kanadyjskie obserwatorium łapało... trzy dziennie.

Ale to tylko początek problemów z nieuchwytnymi cząstkami. Gdy detektory stały się wystarczająco dokładne, aby mierzyć strumień neutrin, okazało się, że ze Słońca do Ziemi nie dociera ich tyle, ile przewiduje teoria. Różnica sięga dwóch trzecich. Za dużo żeby przejść nad tym do porządku dziennego.

Polowanie na kameleony

Rozbieżność tę (nosi nazwę problemu neutrin słonecznych) początkowo próbowano tłumaczyć słabym rozumieniem funkcjonowania Słońca. Jednak na początku tego stulecia okazało się, że jest inne wytłumaczenie. I tu pojawiają się tegoroczni nobliści.

Takaaki Kajita, pracujący w Super-Kamiokande, obserwował neutrina mionowe powstające w wyższych warstwach atmosfery na skutek działania promieniowania kosmicznego. W teorii powinno być tyle samo neutrin mionowych docierających wprost z atmosfery, co tych, które muszą przelecieć przez cały ziemski glob i pojawiają się z drugiej strony. Ale było inaczej – w ich miejsce pojawiły się neutrina taonowe. Był to pierwszy dowód na tzw. oscylację neutrin – zjawiska, które może zachodzić tylko wówczas, gdy cząstka ma masę.

Drugim dowodem były obserwacje prowadzone przez Arthura B. McDonalda w Sudbury Neutrino Observatory. Ten zespół przyglądał się neutrinom elektronowym przybywającym do nas ze Słońca. Pomiary wykazały, że choć ogólna liczba neutrin z grubsza się zgadza, tych pochodzących ze Słońca jest o dwie trzecie za mało. Po drodze musiały się zmienić w inne rodzaje – rozumowali nobliści.

Ustalenie, że te nieuchwytne cząstki mają masę, pociąga za sobą ogromne konsekwencje. Po pierwsze, choć jedno neutrino ma niewielką masę, to jest ich we wszechświecie tyle, że razem mają taką masę jak wszystkie widoczne gwiazdy w całym kosmosie.

Po drugie, Model Standardowy nie uwzględnia mas neutrin. A to oznacza, że podstawowa, obowiązująca dziś teoria fizyki cząstek elementarnych jest do uzupełnienia. Lub wymiany.

Sylwetki laureatów

Takaaki Kajita, Uniwersytet Tokijski

Japończyk zareagował na informację o nagrodzie bardzo emocjonalnie: – To trochę nie do wiary – powiedział. – Jestem po prostu eksperymentatorem i uwielbiam pracę z nowoczesnym sprzętem, jaki mamy w laboratorium.

Takaaki Kajita ma 56 lat. Ukończył Uniwersytet Saitama, a następnie, w 1986 r., doktoryzował się na Uniwersytecie Tokijskim. Już dwa lata później Kajita odkrył tzw. anomalię neutrin atmosferycznych. Dziesięć lat później anomalię tę wyjaśnił. Za swoje osiągnięcia naukowiec otrzymał najbardziej prestiżowe nagrody: m.in. przyznawaną przez Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne nagrodę Bruno Rossiego i nagrodę Panofskiego przyznawaną przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne.

Po przyznaniu Kajicie Nagrody Nobla specjalną notę wystosował Uniwersytet Tokijski. W oświadczeniu tym władze uczelni podkreśliły, że Takaaki Kajita był jednym ze studentów Masatoshiego Koshiby, noblisty z 2002 roku. Koshiba był zresztą głównym projektantem laboratoriów Kamiokande i Super-Kamiokande, w których tegoroczny noblista dokonał swoich odkryć. – To, co w moich badaniach jest najważniejsze, to fakt, że udało nam się przekroczyć standardowe modele fizyki cząstek – powiedział Kajita. —ł.k.

Arthur B. McDonald, Queen's University

– Dostać Nagrodę Nobla, to wspaniałe doświadczenie, ale też bardzo onieśmielające – powiedział kanadyjski laureat. – Pierwsze, co zrobiłem po tym, gdy dowiedziałem się o nagrodzie, to wyściskałem żonę.

Arthur B. McDonald urodził się w Sydney, portowym miasteczku w Nowej Szkocji. Studiował na Uniwersytecie Dalhousie, doktoryzował się w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym. Pracował w Laboratorium Jądrowym Chalk River w Ottawie, na Uniwersytecie w Princeton, wreszcie od 1989 roku w Queen's University w Kingston prowincji Ontario. Miejscem, w którym McDonald dokonał swoich odkryć, jest Obserwatorium Neutrin Sadbury umiejscowione na głębokości 2,1 kilometra w kopalni niklu Creighton w Ontario. – To paradoksalne, ale żeby dobrze zbadać Słońce, musimy zstąpić pod ziemię – śmieje się McDonald. – Bo rdzeń Słońca najlepiej obserwuje się właśnie w laboratorium podziemnym.

Od roku 2009 Arthur Bruce McDonald jest członkiem londyńskiego Towarzystwa Królewskiego – dla naukowca ze Wspólnoty Narodów jest to wyróżnienie niemal tak istotne jak Nagroda Nobla. McDonald jest też kawalerem Orderu Kanady i Orderu Henry,ego Marshalla Tory,ego, najważniejszej kanadyjskiej nagrody naukowej. —ł.k.

Źródło: Rzeczpospolita
REKLAMA
REKLAMA

WIDEO KOMENTARZ

REKLAMA
NAJNOWSZE Z RP.PL
REKLAMA
REKLAMA