Ekscentryczne cząstki elementarne

Ekscentryczne cząstki elementarne
"Im bardziej Puchatek zaglądał do środka, tym bardziej Prosiaczka tam nie było" - tym, kultowym w pewnych kręgach, cytatem ze słynnej książki dla dzieci, można by podsumować najnowsze przygody fizyki cząstek elementarnych. Im lepiej bowiem poznajemy ten świat, tym więcej napotykamy zadziwiających rzeczy i zagadek, a zadowalających odpowiedzi coraz bardziej nie widać.

Jednymi z najbardziej znanych outsiderów Modelu Standardowego są neutrina. Pierwotnie teorie naukowe zakładały, że w ogóle nie mają prawa mieć masy. W 1998 r. japoński detektor Super-Kamiokande zarejestrował po raz pierwszy rozpad neutrina mionowego na elektronowe i taonowe. Tego rodzaju zjawiska są możliwe tylko wtedy, gdy cząstki mają masę. Wniosek zatem był oczywisty - neutrina mają masę.

Warto tu wyjaśnić, że neutrina elektronowe potrafi ą wyprodukować elektron (w zderzeniu np. z jądrem atomowym), mionowe potrafi ą wytworzyć mion, a taonowe - taon. Po tych właśnie produktach rozpadu, czy, jak to mówią fizycy, "zapachach", rozróżniamy je.

Oznaczenia neutrin
Oznaczenia neutrin

Za to odkrycie przyznano Nobla w 2015 r., ale niepokój poznawczy wśród fizyków pozostał. Oscylacje bowiem neutrin to zdaniem wielu z nich ślad czegoś zupełnie innego, całkiem nowego, wykraczającego poza Model Standardowy. Jednak wielu upatruje nadzieję w tym, że neutrina i antyneutrina oscylują w różny sposób, co zarejestrowano w Super-Kamiokande niedawno i co naruszałoby symetrię, być może doprowadzając do rozwiązania zagadki przewagi materii nad antymaterią w znanym nam Wszechświecie.

Neutrina jednak trudno badać, ponieważ nieomal nie wchodzą w interakcje z innymi składnikami materii. Być może ich zachowania to echo kolejnego oddziaływania, siły wykraczającej poza te cztery fundamentalne, jakie znamy. Być może, co się niekiedy podejrzewa, neutrina są zarazem cząstkami i swoimi antycząstkami, a może uczonym uda się znaleźć "sterylne" neutrino, które przy zakładanej masywności mogłoby wyjaśnić zagadkę antymaterii. Wszystko to być może, bo zjawiska w ośrodkach takich jak Super- Kamiokande są skali marnych kilku dziesiątek cząstek. To o wiele za mało, aby wyciągać jakiekolwiek wnioski ogólne i przesądzać co do natury tych zjawisk.

Nowe eksperymenty, które są planowane w Stanach Zjednoczonych i w Japonii – czyli DUNE i Hyper-Kamiokande – mają za zadanie odpowiedzieć na pytanie o asymetryczność neutrin. Będą to naprawdę olbrzymie doświadczenia. Przykładowo, detektor Hyper- -Kamiokande będzie dwadzieścia pięć razy większy od obecnego Super-Kamiokande. Mowa o eksperymentach, w których będą występowały bardzo silna wiązka neutrin i bardzo duże detektory, tak żeby zebrać jak najwięcej detekcji tych oddziaływań. Bo im więcej ich zbierzemy, tym większą będziemy mieć pewność, że istnieje jakaś różnica między neutrinami a antyneutrinami.

Cząstki to nie idealne kulki

Model Standardowy, jak to model – przewiduje różne modelowe i doskonałe zjawiska, np. idealną kulistość cząstek, w tym elektronów. Jednak fizyków ideał nie zadowala i szukają od niedawna nieregularności w cząstkach, w tym w elektronach - chcą widzieć w ich wnętrzach powstawanie elektrycznych dipoli (nazwanych EDM), które nieznacznie oddzielają ładunek negatywny od pozytywnego.

"Jeśli odkryjemy EDM, to odkryjemy zupełnie nową fizykę", powiedział w listopadowym numerze "NewScientist" Brent Granner z Uniwersytetu Stanowego Waszyngton w Seattle. Jednak odchylenia EDM muszą jeszcze zostać w sposób niekwestionowany namierzone i zmierzone, a nie jest to łatwe, gdyż rozmiar dipola EDM szacuje się na 10-28 rozmiaru ładunku elektronu.

Mniej znany i popularny krewniak elektronu – mion – to kolejny znany ekscentryk. Już eksperymenty w laboratorium w Brookhaven w 2001 r. wykazały, że moment magnetyczny mionu ma tendencje do dużych odchyleń, mocno przekraczających przewidywania Modelu Standardowego. Niestety, tamte eksperymenty przerwano. Na 2018 r. planowany jest w Fermilabie projekt „Mion g-2”, który ma zweryfikować dziwną naturę mionu.

Pojawiam się i znikam

Jednym z najciekawszych zjawisk z zakresu mechaniki kwantowej – i pojęciem, które często wymieniane jest w opisach zjawisk fizycznych – są tzw. wirtualne cząstki. W 1948 r. holenderski fizyk Hendrik Casimir sformułował teorię przewidującą ich istnienie. Za jego czasów technika nie pozwalała jednak na przeprowadzenie doświadczeń umożliwiających ich wykrycie. Potwierdzono ich występowanie dopiero w ostatnich dekadach.

W eksperymentach w próżni zauważono przyciąganie dwóch idealnie gładkich płytek, zamrożonych zamrożonych do temperatury zera absolutnego. Okazało się, że co chwila powstają i szybko znikają wirtualne cząstki, wytwarzając przy okazji ciśnienie, które porusza płytki. Powstają z niczego. To zwykła (powiedzmy) energia próżni.

Wirtualne cząstki tłumaczy się jako "stany przygotowawcze" do powstania prawdziwej materii. Wbrew powszechnym przekonaniom, cząstki wirtualne nie naruszają fizycznych zasad zachowania. Zgodnie z teorią Richarda Feynmana, każda fizyczna cząstka jest w istocie konglomeratem cząstek wirtualnych. Przykładowo, fizyczny elektron to tak naprawdę wirtualny elektron emitujący wirtualne fotony, które rozpadają się na wirtualne pary elektron-pozyton, które z kolei oddziałują za pomocą wirtualnych fotonów – i tak w nieskończoność.

Próba wizualizacji pojęcia wirtualnych cząstek - fotony emitowane przez elektron
Próba wizualizacji pojęcia wirtualnych cząstek - fotony emitowane przez elektron

"Fizyczn" elektron to nieustannie dziejący się proces wymiany pomiędzy wirtualnymi elektronami, pozytonami, fotonami i być może innymi cząstkami. "Realność" elektronu to pojęcie statystyczne. Nie można powiedzieć, która cząstka z tego zbioru jest naprawdę realna, wiadomo tylko, że suma ładunków wszystkich tych cząstek daje w efekcie ładunek elektronu (czyli, mówiąc w uproszczeniu: musi być jeden więcej elektron wirtualny niż jest wirtualnych pozytonów) oraz że suma mas wszystkich cząstek daje masę elektronu.

Pojęcie wirtualnych cząstek występuje w wielu obszarach współczesnej fizyki i astrofizyki, aż po czarne dziury i zakrzywienie czasoprzestrzeni. Z pewnością są one władczyniami królestwa ekscentrycznych cząstek, bo co może być bardziej dziwnego niż coś niczego.