15. Historia badań

   Na fakt niezachowania parzystości zwrócono uwagę już w połowie lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia (to brzmi dawno). W tych dawnych czasach neutrina były wyłącznie hipotezą Pauliego. Właśnie miały wtedy zostać doświadczalnie odkryte (Fred Reines i Clyde Cowan, 1956)*. Od tego do systematycznego badania ich własności było jeszcze dosyć daleko. W tych czasach uczeni mieli sporo powodów do innych zastanowień. Właśnie, ku swemu zaskoczeniu, zwrócili uwagę na zastanawiający przebieg rozpadu mezonu K (kaon). Wbrew powszechnemu przekonaniu, że prawo zachowania parzystości jest prawem uniwersalnym, wykryto, że w niektórych rozpadach kaonów prawo zachowania parzystości nie jest spełnione. Przypuszczenie takie wysunęli w roku 1956 dwaj uczeni chińscy (pracujący w USA): Tsung Dao Lee i Chen-Ning Yang.

    To była wręcz dramatyczna konkluzja. W tym samym roku wysunęli też przypuszczenie, że parzystość może też być niezachowana w rozpadzie beta. Nie dość na tym. Zaproponowali też doświadczenia mające tę konkluzję potwierdzić (lub obalić). W doświadczeniach tych, jeśli parzystość może być rzeczywiście naruszona, przestrzenny rozkład produktów rozpadu preferować powinien jeden z kierunków ich ruchu, na niekorzyść kierunku przeciwnego. Z dzisiejszego punktu widzenia odpowiadałoby to łamaniu symetrii zwierciadlanej podczas rozpadu beta w związku z istnieniem skrętności neutrin i tym, że neutrino i anty-neutrino, to dwie różne cząstki. Opisałem to powyżej. Na to było wówczas jeszcze trochę za wcześnie.

   Nawet bez patrzenia w zwierciadło! „Symetria nie jest pełna, a lewe nie jest równoważne prawemu?” Czyż to nie fantazja? Należy więc znaleźć rozwiązanie tej kwestii, a nie pogodzić się z „wyrokiem niebios”. Przeprowadzono szereg doświadczeń, wśród nich zaproponowane przez wyżej wymienionych fizyków. Jako pierwszy, w roku 1957, przeprowadził je zespół pod kierownictwem pani Wu (też z Chin), przy bacznej uwadze wymienionych wyżej fizyków. Doświadczenia te potwierdziły dramatyczną hipotezę. Asymetria przyrody jest faktem obiektywnym! Czyżby? A jednak, w samej rzeczy. Wszak opisany powyżej rozpad neutronu (nawet) stanowi świadectwo tego „faktu”. Toż to fantazja największa, gdyż tylko Przyrodę stać na nią…a nam nie pozostaje już nic poza uznaniem asymetrii za wybryk Natury, oj przepraszam, po prostu za fakt przyrodniczy, za prawdę obiektywną. A może jednak wdrapaliśmy się na wysokie drzewo, z którego należałoby kiedyś zejść by powrócić do starego, dobrego świata, prostego i normalnego, zrozumiałego (ma się rozumieć, nie z zarozumiałości) i symetrycznego? [Dziś wielu komplikuje świat wikipedycznymi hasłami emanując zarozumiałość zamiast myśleć.] By to uczynić należałoby jednak, być może, uruchomić jeszcze jedną fantazję… (lub pozostać na drzewie, by z wysoka lepiej i dalej widzieć, albo siedzieć na płocie i wyczekiwać). Ale nie uprzedzajmy faktów.

   We wspomnianym powyżej doświadczeniu pani Wu badano rozpad β jąder kobaltu 60. Jądra te zostały najpierw uporządkowane. W tym celu próbkę zawierającą wspomniany izotop oziębiono do bardzo niskiej temperatury (0,01K) i umieszczono w bardzo silnym polu magnetycznym. Jądra kobaltu (oczywiście jądra każdego pierwiastka) posiadają określony spin. To pociąga za sobą istnienie momentu magnetycznego. W warunkach normalnych, w rozkładzie przestrzennym momentów magnetycznych nie ma mowy o uprzywilejowaniu określonego kierunku. Płaszczyzny „wirowania” zorientowane są dowolnie. Niska temperatura i silne zewnętrzne pole magnetyczne powodują jednak powstanie orientacji zgodnej jądrowych momentów magnetycznych. W tak spolaryzowanej magnetycznie próbce, każde (w zasadzie) jądro kobaltu, rozpadając się, emitować może (tak sądzono) elektron w dwóch przeciwnych kierunkach (np. na dół lub do góry), zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Chodzi o to, że spiny emitowanych elektronów ±1/2 względem zewnętrznego dla nich pola magnetycznego, a więc także ich momenty magnetyczne o dwóch orientacjach, sądząc po dominujących w tych czasach przekonaniach, są jednakowo prawdopodobne. Należałoby więc oczekiwać dwóch jednakowych strumieni elektronów, biegnących w przeciwne strony.

   Tak, ale dlaczego same neutrony miałyby się różnić między sobą, by rozpadać się na dwa sposoby, czyli wysyłać elektron o momencie magnetycznym dodatnim lub ujemnym względem pola zewnętrznego? Sam spin elektronu (jeśli jego oś rotacji jest prostopadła do kierunku ruchu postępowego), nie zależy od układu odniesienia i dlatego równy jest 1/2 (bez ±) pomimo, że z określonego miejsca patrząc widzimy rotację bądź w prawo, bądź w lewo. Elektrony faktycznie różnią się między sobą (w stosunku do zewnętrznego pola magnetycznego), jeśli  stanowią parę okrążającą na przykład (w najprostszym przypadku) jądro helu – wtedy można mówić o rotacji – jednego z nich w lewo, a drugiego – w prawo. OK.

   Jednak w neutronie (przed jego rozpadem) elektrony nie istnieją, a wszystkie neutrony są identyczne. Zatem, „wszystkie elektrony powinny lecieć w tę samą stronę.” To tylko naiwna wątpliwość „licealisty”, by zbudzić znużonego czytelnika. Przecież sprawa jest bardziej złożona. Poza tym wtedy jeszcze nie było mowy o czynnym udziale neutrin w opisywanym procesie.

   Okazało się, że elektrony w doświadczeniu tym jednak (...) preferują jeden z dwóch zwrotów (na przykład podążają w dół). W połowie wieku dwudziestego było to rzeczą zaskakującą, wprost niewiarygodną. [Dziś, jeśli jednak wszystkie elektrony są identyczne, to to, że preferują określony kierunek ruchu, natychmiast wynika z cech neutrin.] (Dziś dla studenta niewiarygodne, jak mogło to zaskakiwać, choć wcale nie jest pewne, że wszystko on rozumie.).

W wyniku rozpadu jądra kobaltu 60 powstaje jądro niklu 60. Drugim wykrywalnym produktem rozpadu jest elektron.

Rozważamy ruch tego elektronu względem nieruchomego jądra. Zasada zachowania pędu wymaga, by oprócz elektronu biegnącego dajmy na to, że w dół, istniała cząstka biegnąca do góry, natomiast elektronowi biegnącemu do góry powinna towarzyszyć cząstka biegnąca ku dołowi. Jeśli cząstką towarzyszącą jest w pierwszym przypadku antyneutrino (prawoskrętne), to w drugim neutrino (lewoskrętne). Tego wymaga z kolei zasada zachowania momentu pędu – wszystko dla określonego stanu jądra emitującego. Przypadek drugi jest zwierciadlanym odbiciem pierwszego. W pierwszym przypadku łączny moment pędu elektronu i antyneutrina równy jest jedności, co implikuje malenie o tyleż momentu pędu jądra emitującego. W drugim przypadku (elektron i neutrino) znak momentu pędu jest przeciwny (-1), w tej sytuacji moment pędu jądra emitującego wzrasta o jedność (tak, jak odejmujemy liczbę ujemną). Tak można rzecz opisać w uproszczeniu, dla upoglądowienia. Tu trzeba zaznaczyć, że jądra: rozpadające się i otrzymane z rozpadu beta, są izobarami. W związku z tym ich spin zmieniać się może o liczbę całkowitą, w tym przypadku o jedność. W warunkach idealnych doświadczenia realizuje się tylko przypadek pierwszy. W tym przypadku bowiem łączny spin elektronu i antyneutrina równy jest jedności. O tyle właśnie zmniejsza się spin jądra (nikiel 60), które pozostaje. Spin jądra niklu 60 jest jednoznaczny. W tym przypadku wszystko się zgadza. W doświadczeniu elektrony wybierają właśnie ten (ku dołowi) kierunek. Podsumowując stwierdzamy, że istnieje uprzywilejowany kierunek emisji elektronów, ten, któremu towarzyszy emisja (w przeciwną stronę) antyneutrin. Inne opcje są niemożliwe w związku z koniecznością spełnienia prawa zachowania momentu pędu. Oczywiście należy tu uwzględnić też samo jądro – trzeci element układu (jego spin i orientację przestrzenną).  

    To uprzywilejowanie określonego kierunku emisji elektronów w powiązaniu z właściwościami neutrin stanowi o łamaniu symetrii. Dziś jest to zrozumiałe. Gdyby bowiem elektrony biegły także w kierunku przeciwnym (do „góry”), to by spełniona była zasada zachowania momentu pędu, emisji elektronu musiałaby towarzyszyć, jak wyżej wspomniałem, emisja neutrina (a nie antyneutrina). Taki właśnie przebieg doświadczenia widzielibyśmy w ustawionym poziomo zwierciadle. Jednakże wiadomo (właściwie już to doświadczenie mogłoby o tym świadczyć), że neutrino i antyneutrino, to dwie różne cząstki, choć sprawa dotyczy przecież tego samego rozpadu wszystkich bez wyjątku neutronów (w jądrze kobaltu). Są one przecież identyczne. Dodatkowo, jak wspomniałem, spin otrzymanego jądra (Ni) jest mniejszy (a nie większy) o jedność od spinu jądra kobaltu 60.  W rozpadzie beta (i w innych rozpadach cząstek w ramach oddziaływań słabych) nie jest więc zachowana symetria zwierciadlana. Dziś wnioskować możemy, że stwierdzony doświadczalnie brak symetrii oznacza, iż neutrino i antyneutrino, to dwie różne cząstki (już to wystarczy dla takiego wniosku), a rozpad neutronu nie przebiega na dwa różne sposoby (antyneutrino-neutrino). W doświadczeniu preferowany jest właśnie kierunek ruchu elektronu, w naszym przykładzie: ku dołowi.  

A jednak zastanawiające w tej interpretacji doświadczenia pani Wu jest to, że spinowy moment pędu elektronu emitowanego z jądra kobaltu, jeśli ma biec w kierunku przeciwnym niż antyneutrino i jeśli spełniona ma być zasada zachowania momentu pędu, musi być równoległy do kierunku ruchu (elektron powinien posiadać skrętność). Nie jest to jednak cechą swoistą tej cząstki, właściwie każdej cząstki oddziałującej elektromagnetycznie. Zauważmy, nie po raz pierwszy, że fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, a naturalny kierunek spinowego momentu pędu, w odniesieniu do cząstek oddziałujących elektromagnetycznie, jest prostopadły do kierunku ich ruchu postępowego. Przypadek? W przyrodzie nie ma przypadkowych zbieżności, a dopasowania, to domena ludzkiej niedoskonałości. Doskonała jest właściwie umiejętność zmiatania pod dywan.

W dodatku, w odniesieniu do samego elektronu, w tymże rozpadzie, symetria zwierciadlana jest zachowana, prawo zachowania parzystoći jest spełnione. Zwróciłem na to uwagę już na początku tego cyklu. W odbiciu zwierciadlanym elektron pozostaje elektronem, nie staje się pozytonem! Pomimo niezerowej skrętności? Z neutrinami jest inaczej. Czy zatem elektron jako produkt rozpadu rzeczywiście posiada skrętność? Jest inny, niż te, które okrążają jądro w atomie? A jeśli ma być złapany przez jakiś jon, to co z nim?...  W tej sytuacji pytanie: „Jak dokonuje się inwersja spinu na prostopadły do kierunku ruchu, by elektron był tym, czym go znamy?”, nie jest wcale trywialne, choć nikogo to nie podnieca. „W teorii wszystko ma swoje miejsce, wszystko jest OK, już pomyślano o tym.” A jednak o tej prostopadłości świadczy przecież pośrednio nierozróżnialność swobodnych elektronów. [Spinowy moment pędu elektronu nie zależy od układu odniesienia – nie ważne z której strony nań patrzymy. Czy także w przypadku istnienia skrętności? Z neutrinami jest inaczej. Jak to jest w istocie, zobaczymy dalej – zgodnie z moimi propozycjami] Świadczy też istnienie promieniowania mikrofalowego 21,1cm, emitowanego przez neutralny wodór. Gdyby elektron swobodny przechwycony przez atom zjonizowany, posiadał skrętność, to pod wpływem jądrowego pola magnetycznego, wówczas prostopadłego do momentu magnetycznego elektronu, nastąpiłaby inwersja likwidująca skrętność. Związane to musiałoby być z emisją (lub absorpcją) promieniowania o określonej energii. Można nawet odgadnąć, że byłoby to promieniowanie o w przybliżeniu połówkowej długości fali, czyli ok. 10 cm. Jak dotąd nie słyszałem o jego odkryciu. Może dlatego, gdyż po prostu nie istnieje. A to by mogło oznaczać, że elektrony z rozpadu b nie posiadają skrętności. A jednak sądząc po tradycyjnym widzeniu spraw można stwierdzić, że „nie istnieje żadna przyczyna, dla której elektron posiadający skręność, nie mógłby okrążać jądra atomowego. Nie ma tu bowiem mowy o jakimś mechanistycznym ruchu, a wszystkim rządzą prawa mechaniki kwantowej, dopuszczające wspomnianą możliwość” (Amen). Zwróciłem już na to uwagę wcześniej. Dziś skrętność leptonów (wszystkich) jest rzeczą normalną. Nawet została wyznaczona (na bazie dzisiejszego stanu zapatrywań) skrętność elektronów przez Goldfabera. Dalszy ciąg naszych rozważań, w szczególności ilościowych powinien mimo wszystko skłonić myślących krytycznie do ponownego rozważenia tej kwestii.

  A teraz zafantazjujemy, choćby po to, by odpowiedzieć na  zadane powyżej kłopotliwe pytanie: „Czy rzeczywiście elektron może posiadać skrętność?”, odpowiedzieć jednoznacznie pomimo, że sytuacja opisana tuż powyżej (skrętność elektronu) jest dopuszczalna (mechanika kwantowa tego nie wyklucza, wprost przyjmuje za rzecz normalną). Odpowiedź przecząca na zadane pytanie, w kontekście naszych rozważań, jest czymś naturalnym. Zobaczymy to dalej. 

Teoria teorią, a jednak jakieś odczucie niedosytu pozostaje. Mianowicie, jeśli antyneutrino jest za każdym razem produktem rozpadu cząstki oddziałującej elektromagnetycznie, a samo przy tym w tym rodzaju oddziaływania nie uczestniczy i znajduje się poza zakresem, w którym istnieją cząstki „normalne”, to jak może z niebytu stać się bytem? Zgodnie z zasadą „Deus ex machina”? Tylko po to, by ratować zasady zachowania? A może w rzeczywistości przyczyną rozpadu są neutrina, istniejące już, obce, pochodzące z tła? Tej opcji wykluczyć mimo wszystko nie można, tym bardziej, że nie godzi to w zasady zachowania. Nie dość na tym. Zapytajmy: Czy możliwy jest opis rozpadu cząstek jednoznaczny, powiedziałbym nawet: opis deterministyczny (nie w kategoriach prawdopodobieństwa), w dodatku opis ilościowy, na bazie prezentowanej tu, nowej koncepcji, opis weryfikowalny doświadczalnie? Sądzę, że tak.

*) Bazowali na reakcji tzw. odwrotnego rozpadu beta, w której, zgodnie z tradycyjnym przedstawianiem spraw antyneutrino uderzając w proton powoduje powstanie neutronu i emisję pozytonu. Chodzi więc o oddziaływanie antyneutrina z jądrem atomowym. Sama reakcja zachodziła w zbiorniku wypełnionym wodą z dodatkiem chlorku kadmu, zaopatrzonym w liczne scyntylatory rejestrujace promieniowanie gamma (2g), które pojawiło się w wyniku anihilacji otrzymanego pozytonu z elektronem. Sam neutron otrzymany wraz z pozytonem reagował z jądrem kadmu, co było przyczyną emisji jeszcze jednego fotonu gamma. Wykrycie tych fotonów stanowilo potwierdzenie zajścia reakcji z udziałem neutrina (anty-), a więc potwierdzenie istnienia tych cząstek. W roku 1995 Reines otrzymał nagrodę Nobla (Cowan już wówczas nie żył).