Περιστρεφόμενα νετρίνα

Το τελευταίο ποστ του Peter για τον Maurice Goldhaber μου έδωσε το ερέθισμα να γράψω για ένα από τα πιο λαμπρά πειράματα του εικοστού αιώνα, αυτό το οποίο πραγματοποίησε εκείνος το 1957 μαζί με τους Grodzins και Sunjar, και το οποίο έμελλε να γίνει ακρογωνιαίος λίθος της φυσικής των ασθενών αλληλεπιδράσεων, αλλά και της σωματιδιακής φυσικής γενικότερα.

Πρώτα, όμως, μία προειδοποίηση προς τους επίδοξους αναγνώστες: αν και έχω φροντίσει ώστε τα παρακάτω να είναι κατανοητά σε όσους γνωρίζουν τι σημαίνει η αρχή διατήρησης της ορμής, προκειμένου να αντιληφθεί κανείς πόσο εκπληκτικό είναι το πείραμα του Goldhaber, θα πρέπει να αναφέρω αρκετές λεπτομέρειες σχετικά με το πείραμα και πιθανόν μερικοί να βαρεθούνε από ένα σημείο και μετά…

Πάμε λοιπόν. Τη δεκαετία του ’50, οι φυσικοί προσπαθούσαν να κατανοήσουν την ασθενή αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων. Τότε ήταν που οι πρώτοι επιταχυντές άρχιζαν να μας δίνουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη πολλών νέων απροσδόκητων σωματιδίων. Η συνήθης τακτική ήταν να χτυπάνε πρωτόνια σε στόχους και έπειτα να μελετούν τα σωμάτια που παράγονταν από την κρούση. Πολλοί νέοι «συντονισμοί» βρέθηκαν κατ’ αυτόν τον τρόπο, ως κορυφές στην κατανομή της μάζας ηρεμίας των σωματιδίων της τελικής κατάστασης: η μάζα είναι μία καλώς ορισμένη ιδιότητα των σωματιδίων, και μπορεί να ανακατασκευαστεί μετρώντας την ενέργεια και την ορμή όλων των σωμάτων που δημιουργούνται κατά τη διάσπαση του εν λόγω σωματιδίου.

Οι φυσικοί ήλπιζαν πως μελετώντας τις ιδιότητες των νέων σωματιδίων θα μάθαιναν και λεπτομέρειες για την ασθενή αλληλεπίδραση, η οποία ήταν υπεύθυνη για τη διάσπαση του νετρονίου και αρκετών άλλων «παράξενων» σωματιδίων – παράξενα διότι παράγονταν σε αφθονία μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης, αλλά αποσυντίθεντο αργά (και αυτό γιατί η διάσπαση ήταν αποτέλεσμα της ασθενούς αλληλεπίδρασης). Ο Enrico Fermi, άτομο με εκπληκτική διαίσθηση, ήδη από το ’30, είχε καθορίσει τον σωστό φορμαλισμό για την εκτέλεση υπολογισμών σχετικών με ρυθμούς διάσπασης τέτοιων σωματιδίων, αλλά είχε αγνοήσει το γεγονός πως η ασθενής αλληλεπίδραση παραβιάζει μία συμμετρία την οποία ονομάζουμε Ομοτιμία (Parity), κάτι το οποίο προτάθηκε από τους Lee και Yang το 1956. Σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα μετά την πρόταση των δύο επιστημόνων αυτό επιβεβαιώθηκε και πειραματικά από την Wu και τους συνεργάτες της στο National Bureau of Standards. Η παρατήρηση τους ήταν μία εμφανής ανισοτροπία ως προς την κατεύθυνση των ηλεκτρονίων που εκπέμπονταν από ραδιενεργά ισότοπα Κοβαλτίου 60, τα οποία διατηρούνταν σε χαμηλή θερμοκρασία και με τα spin τους ευθυγραμμισμένα στην διεύθυνση ισχυρού μαγνητικού πεδίου.

Εφόσον οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παραβίαζαν όντως τη συμμετρία ομοτιμίας, ο φορμαλισμός «V» του Fermi θα έπρεπε να τροποποιηθεί. Δύο επιλογές προέκυψαν από τα πειραματικά δεδομένα: η αλληλεπίδραση ήταν είτε «V-A» είτε «S-T», με τα γράμματα αυτά να έχουν να κάνουν με τις συμμετρίες του δυναμικού αλληλεπίδρασης. Εάν η αλληλεπίδραση ήταν V-A, τότε η διάσπαση β (ο μηχανισμός μέσω του οποίου διασπώνται τα ραδιενεργά άτομα, μετατρέποντας ένα νετρόνιο σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο) θα παρήγαγε (αντι)νετρίνα με δεξιόστροφο spin. Αντίθετα, εάν η αλληλεπίδραση ήταν S-T, όλα τα αντινετρίνα θα είχαν αριστερόστροφο σπιν.[Δείτε εδώ περισσότερα για την ασθενή αλληλεπίδραση]

Τα νετρίνα είναι τα πιο «φευγαλέα» σωματίδια που έχουμε βρει. Υπάρχουν παντού στο σύμπαν και σε τεράστιες ποσότητες- μιας και οι μηχανισμοί σύντηξης στους πυρήνες των άστρων παράγουν έναν μεγάλο αριθμό από αυτά- αλλά σχεδόν ποτέ δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη όταν περνάνε από μέσα της: η ενεργός διατομή τους, ή αλλιώς, η πιθανότητα να δώσουν κάποια αντίδραση, είναι τόσο μικρή που τις περισσότερες φορές διασχίζουν ολόκληρη την γη μένοντας άθικτα. Έτσι, εάν δεν αλληλεπιδρούν, δεν μπορούμε και να τα δούμε! Εμείς αυτό που κάνουμε για να ανιχνεύσουμε κάποιο σωμάτιο είναι να παρατηρούμε την αλληλεπίδραση του με την ύλη. Πως λοιπόν, σκέφτηκαν ο Goldhaber και οι συνεργάτες του, είναι δυνατόν να καταφέρουμε να μετρήσουμε το spin τους, μία ιδιότητα που από μόνη της είναι ιδιαίτερα δύσκολο να υπολογιστεί;

Χρησιμοποιείστε Ευρώπιο 152, ένα ραδιενεργές ισότοπο με κάπως παράξενα χαρακτηριστικά. Διασπάται γρήγορα, έχει μηδενική συνολική στροφορμή (J=0: δεν έχει συνολικό spin), και μετατρέπεται σε διεγερμένο Σαμάριο προσλαμβάνοντας ένα από τα δικά του ηλεκτρόνια εσωτερικής στοιβάδας, εκπέμποντας τότε ένα νετρίνο στη μία κατεύθυνση και τον πυρήνα Σαμαρίου στην άλλη – με τα δύο σώματα να εξισορροπούν την συνολική ώθηση, σε συμφωνία με την αρχή διατήρησης της ορμής.

Το διεγερμένο Σαμάριο έχει συνολικό spin J=1 (σε μονάδες σταθεράς Planck), και είναι μάλιστα κάπως περίεργο: Αποδιεγείρεται προς την θεμελιώδη κατάσταση εκπέμποντας ένα φωτόνιο ενέργειας 960 keV τόσο γρήγορα (μέσα σε 0.07 picoseconds) που η διεύθυνση της κίνησης δεν έχει χρόνο να «χαθεί» λόγω θερμικών φαινομένων, ακόμα και μέσα στο στερεό δείγμα του Ευρωπίου. Το φωτόνιο, ένα σωματίδιο με μοναδιαίο spin, έχει το spin του είτε παράλληλο είτε αντιπαράλληλο ως προς την κατεύθυνση της κίνησης του, και λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής παράλληλο με το αρχικό spin του διεγερμένου πυρήνα Σαμαρίου. Εάν το φωτόνιο έχει εκπεμφθεί κατά την κατεύθυνση της κίνησης του διεγερμένου Σαμαρίου, το spin του θα είναι στην ίδια διεύθυνση με το spin του νετρίνου που εκπέμφθηκε κατά την αρχική διάσπαση του Ευρωπίου, και θα έχει και το ίδιο πρόσημο! Αυτό σημαίνει πως εάν μετρήσουμε τις ιδιότητες του spin του φωτονίου, μπορούμε να εκμαιεύσουμε πληροφορίες για τις ιδιότητες του spin του νετρίνου. Bingo νούμερο 1!

Αλλά πως να επιλέξει κανείς εκείνα τα φωτόνια που εκπέμπονται κατά την κατεύθυνση του διεγερμένου Σαμαρίου ; Το Bingo νούμερο 2 έρχεται όταν καταλάβει κανείς πως τα φωτόνια δεν κουβαλάνε όλη την ενέργεια της αποδιέγερσης του Σαμαρίου: όταν εκπέμπεται το φωτόνιο, το άτομο του Σαμαρίου ανακρούεται, κρατώντας έτσι ένα μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται, υπό μορφή κινητικής ενέργειας. Έτσι αυτά τα φωτόνια μόλις βρουν ένα δεύτερο άτομο Σαμαρίου δεν θα έχουν την δυνατότητα να το επαναφέρουν στη διεγερμένη κατάσταση, εκτός….εκτός και αν το φωτόνιο εκπέμφθηκε από το Σαμάριο προς την κατεύθυνση της κίνησης του, παίρνοντας έτσι την απαραίτητη «προώθηση», μια μετατόπιση doppler προς τις υψηλότερες ενέργειες. Επομένως, αυτά θα είναι και τα φωτόνια που θα κάνουν συντονισμένη σκέδαση (resonant scattering) με έναν πυρήνα Σαμαρίου. Τέλος, το Bingo νούμερο 3 είναι το γεγονός πως η ορμή που προσλαμβάνει ο πυρήνας Σαμαρίου κατά τη διάσπαση του Ευρωπίου είναι κατά προσέγγιση ίση με την απαιτούμενη για να πάρει το φωτόνιο  αυτήν τη «προώθηση» που χρειάζεται!

Εν κατακλείδι: εάν θες να μετρήσεις την ιδιότητα spin του νετρίνου (γνωστή και ως πόλωση) αυτό που έχεις να κάνεις είναι να μετρήσεις την πόλωση αυτών των φωτονίων που επιτυγχάνουν συντονισμένη απορρόφηση από τα άτομα Σαμαρίου (εκείνα που έχουν υποστεί προώθηση).

Ωραία όλα αυτά, αλλά πως το έκαναν ακριβώς; Αυτό είναι εύκολο! Τα φωτόνια με ενέργεια κοντά στο MeV έχουν διαφορετικές ιδιότητες αλληλεπίδρασης σε ένα κομμάτι σιδήρου ανάλογα με το εάν αυτό είναι μαγνητισμένο παράλληλα ή αντιπαράλληλα σε σχέση με την κατεύθυνση των φωτονίων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια εντός του σιδήρου απορροφούν ευκολότερα φωτόνια με αντιπαράλληλο spin.

Τι έχετε να κάνετε συνολικά; Πάρτε ένα δείγμα Ευρωπίου 152 και τοποθετήστε το πίσω από ένα κομμάτι μαγνητισμένου σιδήρου. Βάλτε το δείγμα Σαμαρίου πίσω του και χρησιμοποιείστε κάποιο όργανο που να ανιχνεύει τη δευτερογενή ραδιενέργεια από την αποδιέγερση του Σαμαρίου το οποίο πέρασε συντονισμένη σκέδαση (ένας φωτοπολλαπλασιαστής θα κάνει για αυτή τη δουλεία). Μετρήστε τα «τικ» στον σωλήνα, στρέψτε τον σίδηρο 180 μοίρες, και μετρήστε ξανά. Πανεύκολο!!

Image1_1

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα σχέδιο της πειραματικής διάταξης. Μία μικρή πηγή Ευρωπίου τοποθετείται στο κοίλωμα αριστερά, εμβαπτισμένη  μέσα σε ένα κομμάτι μαγνητισμένου σιδήρου. Μια ισχυρή θωράκιση από μόλυβδο δεν επιτρέπει στα φωτόνια να φτάσουν απευθείας από την πηγή Ευρωπίου στον φωτοπολλαπλασιαστή. Τα ορθογώνια με την ετικέτα «Sm2O3»  αντιστοιχούν σε έναν δακτύλιο οξειδίου του Σαμαρίου, ο οποίος χρησιμοποιείται ως σκεδαστής, όπου τα φωτόνια μπορούν να υποστούν συντονισμένη απορρόφηση. Ο σωλήνας του φωτοπολλαπλασιαστή είναι συνδεδεμένος με κρύσταλλο σπινθηρισμού ιωδιούχου νατρίου (NaI), ο οποίος και καταγράφει το φωτονικό σήμα.

Οι παρακάτω εικόνες είναι το αρχικό paper (πατήστε πάνω για μεγέθυνση):

Goldhaber1  Goldhaber2 Goldhaber3

     Σελίδα 1            Σελίδα 2           Σελίδα 3

Έτσι, βασιζόμενοι στην εφευρετικότητα και την ευφυΐα τους, ο Goldhaber και οι συνεργάτες του έφεραν εις πέρας ένα από τα απαιτητικά πειράματα στη σύγχρονη ιστορία της φυσικής. Το να καταφέρει κανείς να αναγάγει τη μέτρηση μιας ιδιότητας όπως το spin για ένα υποατομικό σωματίδιο σε μία απλή μέτρηση «τικ» σε φωτοπολλαπλασιαστή είναι ένα πελώριο επίτευγμα! Και για να κλείσουμε: Το νετρίνο περιστρέφεται αριστερόστροφα, ενώ το αντινετρίνο δεξιόστροφα. Η αλληλεπίδραση είναι V-A: κάτι θεμελιώδες για τη Σωματιδιακή Φυσική.

Αρχικό Άρθρο:
http://qd.typepad.com/6/2005/01/spinning_neutri.html
21 Ιανουαρίου 2005

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Θεωρία, Πείραμα. Bookmark the permalink.

Μία απάντηση στο Περιστρεφόμενα νετρίνα

  1. Παράθεμα: Η ελικότητα των νετρίνων | physicsgg

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s