Po co fizykom gigantyczne podziemne baseny?

Jeszcze zanim skoń­czy­łeś czytać tytuł tego tekstu, przez każdy cen­ty­metr kwa­dra­to­wy twojego ciała prze­le­cia­ło, lekko licząc, 100 miliar­dów neutrin. Tylko tych wyemi­to­wa­nych przez Słońce. Do tego docho­dzą kolejne miliar­dy wyrzu­ca­ne z jądra Ziemi, miotane przez odległe gwiazdy i galak­ty­ki oraz te pocho­dzą­ce z czasów samego wiel­kie­go wybuchu. Zaraz po foto­nach to naj­po­spo­lit­szy rodzaj cząstek ele­men­tar­nych, jaki można spotkać we wszechświecie.

Są dosłow­nie wszę­dzie, jednak para­dok­sal­nie nie możesz poczuć ich obec­no­ści. A to dlatego, że neu­tri­na są mistrza­mi w igno­ro­wa­niu niemal wszyst­kie­go, co stanie im na drodze.

Cząstki materii komu­ni­ku­ją się ze sobą za pomocą oddzia­ły­wań pod­sta­wo­wych. Neu­tri­no (ozna­cza­ne ν) pozo­sta­je pod tym wzglę­dem wyjąt­ko­wo mil­czą­ce. Nie ma ładunku elek­trycz­ne­go, więc nie świeci, nie przy­cią­ga, ani nie odpycha nała­do­wa­nych cząstek. Nie podlega silnemu oddzia­ły­wa­niu jądro­we­mu, które skleja kwarki w jądrach atomów. Niby posiada masę, ale jest ona nie­wy­obra­żal­nie mała – 5 do 10 milio­nów razy niższa od elek­tro­nu, który sam w sobie jest maleń­stwem. Gra­wi­ta­cja również nie ma więc w tym przy­pad­ku prak­tycz­ne­go zna­cze­nia, a sama cząstka mknie sobie przez prze­strzeń z pręd­ko­ścią bardzo bliską światłu. (Jeżeli któ­re­kol­wiek z pojęć w tym aka­pi­cie spra­wi­ło, że poczu­łeś się zagu­bio­ny, zajrzyj naj­pierw do arty­ku­łu o modelu stan­dar­do­wym).

Nazwa wymy­ślo­na przez Enrico Fer­mie­go wydaje się bardzo ade­kwat­na: neu­tri­no, czyli z wło­skie­go małe neu­tral­ne coś.

Neutrina ignorują wszystko, ale przecież wiemy o ich istnieniu.

Ist­nie­je jedna aktyw­ność fizycz­na, której neu­tri­na pozwa­la­ją się od czasu do czasu uwodzić. Jest nią słabe oddzia­ły­wa­nie jądrowe. Wystę­pu­je ono tylko w skali sub­a­to­mo­wej, ale pełni bardzo odpo­wie­dzial­ną funkcję, pośred­ni­cząc i w ogóle umoż­li­wia­jąc rozpady cząstek oraz atomów.

DLA DOCIEKLIWYCH #1 Jedną z naj­bar­dziej pospo­li­tych prze­mian z udzia­łem neu­tri­na jest rozpad beta minus. Dotyczy on sytu­acji, w której neutron decy­du­je, że jednak woli być pro­to­nem. Taki proces wymaga pozby­cia się ujem­ne­go ładunku elek­trycz­ne­go, więc po drodze docho­dzi do naro­dzin elek­tro­nu. Jednak rów­na­nie nadal się nie zgadza. Dla zacho­wa­nia energii pędu, momentu pędu i liczby lep­to­no­wej, potrzeb­ny jest jeszcze jeden gracz. Jako pierw­szy zauwa­żył ten problem Wol­fgang Pauli (ten sam od zakazu Pau­lie­go) i prze­wi­dział w ten sposób ist­nie­nie nowego typu cząstki: neu­tri­na (w tym kon­kret­nym przy­pad­ku anty­neu­tri­na elek­tro­no­we­go). We wszyst­kim pośred­ni­czy oddzia­ły­wa­nie słabe, repre­zen­to­wa­ne przez bozon W^-.

Krótko mówiąc, tam gdzie pro­mie­nio­twór­czość i prze­mia­ny jądrowe, tam harcują neu­tri­na. A ponie­waż rozpady są czymś zupeł­nie natu­ral­nym, nawet twoje własne ciało wyrzuca z siebie pewną liczbę neutrin. Jeśli jesteś zdrowym, doro­słym czło­wie­kiem i lubisz banany – praw­do­po­dob­nie nosisz w sobie około 20 mili­gra­mów radio­ak­tyw­ne­go potasu-40. To wystar­czy, abyś każdej doby emi­to­wał średnio 340 milio­nów neutrin. Skrom­nie w porów­na­niu do Słońca, ale trzeba mierzyć siły na zamiary.

Do oddzia­ły­wa­nia słabego jeszcze wrócimy. Na razie musisz tylko rozu­mieć, że bardzo, bardzo trudno przy­ła­pać neu­tri­no na roman­sie z materią. Spośród wszyst­kich neutrin mio­ta­nych w naszym kie­run­ku przez Słońce 99,999999996% bez naj­mniej­sze­go kłopotu prze­ni­ka całą planetę, nie zacze­pia­jąc po drodze ani jednego napo­tka­ne­go atomu.

Mało tego. Jak mówi popu­lar­na cie­ka­wost­ka, żeby otrzy­mać w miarę szczel­ną barierę zdolną do zatrzy­ma­nia więk­szo­ści neutrin, potrze­bo­wa­li­by­śmy ściany ołowiu o gru­bo­ści liczo­nej w latach świetlnych(!).

Można więc powie­dzieć, że miesz­ka­my w nawie­dzo­nym domu, przez który nie­ustan­nie prze­ta­cza­ją się pro­ce­sje minia­tu­ro­wych, kwan­to­wych duchów. Problem w tym, że akurat te duchy niosą ze sobą uni­ka­to­we infor­ma­cje na temat pro­ce­sów fizycz­nych i miejsc, z których pocho­dzą. Dlatego naukow­cy już dawno uznali, że warto je łapać.

Tylko jak, skoro neutrina nie chcą się z nami zadawać?

Budowa kosmicz­nie grubej bariery z ołowiu raczej odpada. Jednak na naszą korzyść gra liczeb­ność neutrin. Nie musimy prze­cież łowić wszyst­kich. Nawet jeżeli zde­cy­do­wa­na więk­szość z nich omija atomy z gracją intro­wer­ty­ka, uni­ka­ją­ce­go small talku na impre­zie fir­mo­wej, to wśród nie­prze­bra­nych try­lio­nów cząstek, któraś w końcu się ujawni. Trzeba tylko zacho­wać cier­pli­wość i to zauważyć.

Spo­so­bów jest kilka, ale w tym kon­kret­nym tekście inte­re­su­je nas jeden: detek­to­ry wodne.

Prze­nie­śmy się do Japonii, a dokład­niej do regionu Kamioka dwie­ście kilo­me­trów na zachód od Tokio. Tam, głęboko pod górą Ikeno od trzy­dzie­stu lat działa jeden z naj­bar­dziej nie­zwy­kłych kom­plek­sów badaw­czych na Ziemi – Super-Kamiokande. 

Sercem labo­ra­to­rium jest wydrą­żo­na w skale komora, która bez trudu pomie­ści­ła­by 10-pię­tro­wy blok miesz­kal­ny albo Figurę Jezusa Chry­stu­sa Króla Wszech­świa­ta (z tego co widzę to ofi­cjal­na nazwa) ze Świe­bo­dzi­na. W jej wnętrzu umiesz­czo­no stalowy zbior­nik o kształ­cie cylin­dra, wypeł­nio­ny 50 tysią­ca­mi ton czystej wody.

Nie mówię o czy­sto­ści w rodzaju butel­ko­wa­nej Nałę­czo­wian­ki, tylko o abso­lut­nej ste­ryl­no­ści. Ciecz bez przerwy krąży w zamknię­tym obiegu w tempie około 30 ton na godzinę, prze­cho­dząc przez zestaw filtrów mecha­nicz­nych i jono­wych, membran, urzą­dzeń chło­dzą­cych oraz lamp UV. W ten sposób ze zbior­ni­ka eli­mi­no­wa­ne są nie tylko pyłki i bak­te­rie, ale również zbędne jony oraz radio­izo­to­py, które mogłyby jak­kol­wiek zabu­rzyć pre­cy­zję obserwacji.

Uprze­dza­jąc pytanie: nie, woda z detek­to­ra nie nadaje się do spo­ży­cia. Ultra­czy­sta to nie to samo co ultraz­dro­wa. Nie jest może trująca, ale po usu­nię­ciu wszel­kich mine­ra­łów, wypicie więk­szej ilości zabu­rzy­ło­by rów­no­wa­gę elek­tro­li­to­wą orga­ni­zmu. Poza tym, podobno jest paskud­na w smaku.

Ściany zbior­ni­ka zostały szczel­nie oble­pio­ne jede­na­sto­ma tysią­ca­mi cha­rak­te­ry­stycz­nych, szkla­nych pół­mi­sków. To elek­tro­nicz­ne oczy detek­to­ra – super­w­raż­li­we foto­po­wie­la­cze – rodzaj lamp próż­nio­wych, skon­stru­owa­nych do wychwy­ty­wa­nia nawet naj­mniej­szych i naj­krót­szych błysków światła. Każdy taki czujnik jest jed­no­cze­śnie wzmac­nia­czem. Złapany foton ude­rza­jąc w świa­tło­czu­ły mate­riał, wybija z niego elek­tro­ny. Te biegną dalej w głąb foto­po­wie­la­cza, odbi­ja­jąc się od kolej­nych elek­trod i mnożąc swoją liczbę. Instru­men­ty odbie­ra­ją wyraźny impuls, a naukow­cy zostają zaalar­mo­wa­ni, że w ciemnej toni zbior­ni­ka zadzia­ło się coś interesującego.

Począt­ko­wo eks­pe­ry­ment miał odpo­wie­dzieć na pytanie o czas rozpadu protonu. Fizycy cier­pli­wie moni­to­ro­wa­li wodę, ocze­ku­jąc aż nukleon w jądrze któ­re­go­kol­wiek z 10³⁴ zgro­ma­dzo­nych atomów w końcu pęknie. Żaden nie pękł. Musieli przy­znać, że albo protony pozo­sta­ją nie­wia­ry­god­nie trwałe i prze­ży­ją cały wszech­świat, albo są wręcz nieśmiertelne.

Nie mar­nu­jąc czasu, zasobów, fun­du­szy – i mając do dys­po­zy­cji pod­ziem­ny detek­tor prze­zna­czo­ny do reje­stro­wa­nia mikro­sko­pij­nych błysków światła – fizycy prze­nie­śli zatem całą swoją uwagę na inny problem. Badania nie­uchwyt­nych neutrin.

Ale ustaliliśmy, że neutrina nie świecą!

Nie świecą i w ogóle nie oddzia­łu­ją elek­tro­ma­gne­tycz­nie, nato­miast raz na jakiś czas zdra­dza­ją swoją obec­ność za pośred­nic­twem oddzia­ły­wa­nia słabego. Jeśli do tego dojdzie, wydarzy się jedna z dwóch rzeczy. Albo neu­tri­no popchnie którąś z nała­do­wa­nych cząstek w atomie, a ona dopro­wa­dzi do emisji fotonu; albo, neu­tri­no zmieni swoją toż­sa­mość i samemu stanie się nała­do­wa­ną cząstką, która mrugnie do detektorów.

DLA DOCIEKLIWYCH #2 Oddzia­ły­wa­nie słabe może zadzia­łać na dwa główne sposoby. Pierw­szy jest nazy­wa­ny prądem neu­tral­nym. Neu­tri­no sztur­cha za pośred­nic­twem bozonu Z⁰ napo­tka­ny w atomie elek­tron lub kwark, prze­ka­zu­jąc mu część nie­sio­nej energii, po czym ucieka w siną dal. Drugi, znacz­nie cie­kaw­szy sposób, to prąd nała­do­wa­ny, zwią­za­ny z bozo­na­mi W⁺ i W^-. Neu­tri­no wpada do jądra ato­mo­we­go, np. do wnętrza neu­tro­nu i zacze­pia jeden z trzech budu­ją­cych go kwarków. Docho­dzi do emisji bozonu W⁺, który może zostać wchło­nię­ty przez kwark dolny, zamie­nia­jąc go w kwark górny (a cały neutron w proton), a samo neu­tri­no trans­for­mu­jąc w wolny elektron.

W obu przy­pad­kach skut­kiem jest wystrze­le­nie wyso­ko­ener­ge­tycz­nej cząstki (zwykle elek­tro­nu), która mknie przez wodę z ogromną pręd­ko­ścią. Jeżeli ta pręd­kość będzie dość duża, dojdzie do minia­tu­ro­we­go roz­bły­sku pro­mie­nio­wa­nia Cze­ren­ko­wa. Jeśli słysząc to pojęcie, przy­szła ci na myśl nie­bie­ska poświa­ta towa­rzy­szą­ca reak­to­rom jądro­wym – to masz słuszne skojarzenia.

W reak­to­rze źródłem pro­mie­nio­wa­nia Cze­ren­ko­wa są cząstki wyrzu­ca­ne podczas reakcji roz­sz­cze­pia­nia jąder. Prze­la­tu­ją one przez wodę na tyle szybo, że… wyprze­dza­ją światło. Spo­koj­nie, to nie oznacza, że Ein­ste­in był w błędzie. Sztucz­ka polega na tym, że w takim ośrodku jak woda światło prze­miesz­cza się wyraź­nie wolniej niż w próżni, więc nawet masywna cząstka ma uni­ka­to­wą szansę na jego prze­ści­gnię­cie. Nie jest to może do końca fair, ale dzięki temu możemy zaob­ser­wo­wać ciekawe i bardzo efek­tow­ne zjawisko.

Nała­do­wa­na cząstka zacho­wu­je się jak myśli­wiec F‑16, poko­nu­ją­cy barierę dźwięku. Kiedy maszyna dogania dźwięk, fale aku­stycz­ne nie mając moż­li­wo­ści roz­pro­sze­nia, zaczy­na­ją się nakła­dać i gęst­nieć. Powsta­je “cią­gnię­ta” za samo­lo­tem fala ude­rze­nio­wa o kształ­cie stożka. Osoby obser­wu­ją­ce przelot z ziemi mogą się prze­ko­nać o jej ist­nie­niu, słysząc donośny huk, nazy­wa­ny gromem dźwię­ko­wym.

Dobrze roz­pę­dzo­na nała­do­wa­na cząstka doko­nu­je w wodzie czegoś podob­ne­go. Pobudza mijane atomy do emisji fotonów, ale nie daje im się dogonić, co tworzy odpo­wied­nik fali ude­rze­nio­wej w polu elek­tro­ma­gne­tycz­nym. W tym przy­pad­ku grom, przyj­mu­je formę światła o wyso­kiej czę­sto­tli­wo­ści, odpo­wia­da­ją­cej barwie nie­bie­skiej lub fioletowej.

Różnica między reak­to­rem a detek­to­rem jest taka, że w tym pierw­szym trwa stała i masowa pro­duk­cja cząstek, które pod­trzy­mu­ją nie­bie­ską poświa­tę widocz­ną gołym okiem. W Super-Kamio­kan­de mamy do czy­nie­nia wyłącz­nie z rzad­ki­mi, punk­to­wy­mi bły­ska­mi, wywo­ły­wa­ny­mi przez nagłe wyskoki poje­dyn­czych elek­tro­nów. Jeśli basen reak­to­ra jest dużym kon­cer­tem roc­ko­wym, to detek­tor neutrin jest pustą salą, w której pró­bu­je­my usły­szeć szarp­nię­cie poje­dyn­czej struny.

Żeby mieć szansę na zare­je­stro­wa­nie takiego brzdąk­nię­cia, musimy zapew­nić sobie dosko­na­łe oko­licz­no­ści do “nasłu­chu”. Woda nie może zawie­rać zanie­czysz­czeń, ponie­waż mogłyby one zaab­sor­bo­wać fotony, zanim dotar­ły­by one do foto­po­wie­la­czy. Z kolei umiej­sco­wie­nie detek­to­ra kil­ka­set metrów pod ziemią, tworzy natu­ral­ną barierę przed szumem tła. Przede wszyst­kim przed hała­śli­wy­mi elek­tro­na­mi, mionami i pro­to­na­mi spa­da­ją­cy­mi nam na głowy wraz z pro­mie­nio­wa­niem kosmicznym.

W takich warun­kach czuj­ni­kom Super‑K nie umknie nawet poje­dyn­czy foton. W prak­ty­ce osią­gnię­to pre­cy­zję, która pozwala na zło­wie­nie około 20 tysięcy śladów neutrin rocznie. (Co brzmi dumnie, przy­naj­mniej dopóki nie przy­po­mni­my sobie, że więcej neutrin prze­la­tu­je przez kroplę wody w jedną dzie­sią­tą mikrosekundy).

Cały ten układ jest mikro­sko­pem i tele­sko­pem jed­no­cze­śnie. Mikro­sko­pem, ponie­waż umoż­li­wił naukow­com odkry­cie nie­któ­rych kwan­to­wych wła­ści­wo­ści neutrin. (Przede wszyst­kim ich oscy­la­cji pomię­dzy trzema stanami zapa­cho­wy­mi. Był to jed­no­cze­śnie dowód na to, że neu­tri­na napraw­dę posia­da­ją nie­ze­ro­wą masę). Tele­sko­pem, bo nagłe skoki liczby nad­la­tu­ją­cych neutrin, infor­mu­ją nas o super­no­wych, kapry­sach Słońca oraz innych dyna­micz­nych zja­wi­skach we wszech­świe­cie. Obser­wa­to­ria neu­tri­no­we dzia­ła­ją przy tym jak system wcze­sne­go ostrze­ga­nia, dając nam znać o pewnych wyda­rze­niach, jeszcze zanim będzie­my mogli je zobaczyć.

Przecież neutrina nie wyprzedzają światła.

(*W tym miejscu autor z trudem powstrzy­mał się przed nie­śmiesz­nym żartem na temat nad­świetl­nych neutrin, “odkry­tych” w ramach eks­pe­ry­men­tu OPERA*)

Mają masę spo­czyn­ko­wą, więc uczciwy wyścig w próżni zawsze wygra światło. Jednak neu­tri­na wyko­rzy­stu­ją swoją prze­wa­gę: prze­ni­ka­ją każdą prze­szko­dę, więc mogą szyb­ciej wystar­to­wać. Fotony mówią nam o tym, co dzieje się na powierzch­ni obiektu, tym­cza­sem zmiany w meta­bo­li­zmie gwiazdy zaczy­na­ją się od jądra – a stamtąd tylko neu­tri­na potra­fią uciec natych­miast i bez żadnych kło­po­tów. Gdyby jutro na niebie miała roz­bły­snąć eks­plo­du­ją­ca Betel­ge­za, detek­to­ry już dzisiaj odno­to­wa­ły­by wzmo­żo­ny deszcz neutrin. Dosta­jąc taki cynk, astro­no­mo­wie mogą zawcza­su skie­ro­wać wszyst­kie tele­sko­py w odpo­wied­ni sektor nieba.

A co jest lepsze od obser­wa­to­rium zdol­ne­go upo­lo­wać co roku 20 tysięcy neutrin? Rzecz jasna nowsze i większe obser­wa­to­rium, reje­stru­ją­ce rocznie sto tysięcy neutrin. Idąc tym tropem Japoń­czy­cy są już na zaawan­so­wa­nym etapie budowy następ­cy wysłu­żo­ne­go Super-Kamio­kan­de, o nazwie Hyper-Kamiokande.

Nie­daw­no ukoń­czo­na komora pod górą Nijuugo ma wyso­kość 71 i śred­ni­cę 68 metrów. Zgodnie z planem zbior­nik pomie­ści aż 260 tysięcy ton wody – pięć razy więcej od basenu Super‑K – a jego ściany pokryje 20 do 40 tysięcy fotopowielaczy.

Większe medium, więcej czuj­ni­ków i więcej szans na to, że prze­la­tu­ją­ce neu­tri­no pacnie któryś z mija­nych atomów. To oznacza pomno­że­nie liczby gro­ma­dzo­nych danych, a tym samym dokład­niej­szą wery­fi­ka­cję naszej wiedzy, wyższą szansę na wytro­pie­nie ano­ma­lii i posze­rzo­ny zakres obser­wa­cji.

Nie będę zasko­czo­ny, jeżeli Hyper‑K okaże się jednym z naj­waż­niej­szych instru­men­tów nauko­wych tego stu­le­cia. Nie przy­nie­sie nam bajecz­ne­go zdjęcia mgła­wi­cy, ani spek­ta­ku­lar­ne­go obrazu hory­zon­tu zdarzeń czarnej dziury. Będzie po cichut­ku pra­co­wać u podstaw, przy­no­sząc uni­ka­to­we infor­ma­cje o miej­scach, do których żadne inne obser­wa­to­rium nigdy nie będzie miało wstępu.

A TAK W OGÓLE TO… Nawet Japoń­czy­kom czasem coś nie wycho­dzi. 12 listo­pa­da 2001 roku, kiedy zbior­nik Super‑Kamiokande był ponow­nie napeł­nia­ny po ruty­no­wym ser­wi­sie, jeden ze szkla­nych foto­po­wie­la­czy implo­do­wał. Ten poje­dyn­czy huk wyzwo­lił falę ude­rze­nio­wą na tyle silną, że lawi­no­wo doszło do implo­zji kolej­nych czuj­ni­ków. Łącznie w krótkim czasie znisz­cze­niu uległo ok. 6 tysięcy, a więc połowa, wszyst­kich foto­po­wie­la­czy. Hałas podobno było słychać nawet w pomiesz­cze­niach kon­tro­l­nych nad basenem. Usu­wa­nie skutków awarii i przy­wró­ce­nie obser­wa­to­rium do stanu uży­wal­no­ści trwało kolejny rok.