W moim odkrywaniu przed czytelnikami rozwoju i postępów badawczych fizyki w Chinach, proponuję w tym wpisie odwiedzić Daya Bay, miejscowość nadmorską [nad zatoką o tej samej nazwie] w południowych Chinach ,niedaleko Hong-Kongu.
Pracują tam trzy elektrownie jądrowe i czynnych jest sześć reaktorów jądrowych ,każdy o mocy ok. 3 GW.
Od roku 2008, miejsce to skupia uwagę fizyków całego świata wcale nie z powodu znaczenia w chińskiej energetyce. Uruchomienie na tak małym obszarze sześć reaktorów jądrowych o tej mocy ,stwarza dla fizyków badających neutrina unikatową sytuację.
Jak wiadomo ,naturalnym źródłem neutrin [najbliżej Ziemi]jest jądro Słońca[ “neutrina słoneczne”]. Neutrina powstają w jądrach gwiazd jako produkt reakcji jądrowych np. typ “pp” , a także jako produkt oddziaływania promieni kosmicznych z atmosferą ziemską[“neutrina atmosferyczne”].
Poza tym cały wszechświat dostępny naszemu badaniu jest wypełniony neutrinami ,które narodziły się w przedziale czasu tuż po Big Bangu. To świadkowie narodzin naszego wszechświata. Substancja ,o której można powiedzieć : neutrino ,to prawie “Nic”.
Natomiast sztucznymi źródłami wiązek neutrino, zbudowanymi przez człowieka, są akceleratory, oraz reaktory jądrowe[głównie te ostatnie].
W Daya Bay każdy reaktor w ciągu jednej sekundy, emituje na zewnątrz rdzenia, milion kwadrylionów neutrin “elektronowych”[poniżej wyjaśniam co to za rodzaj neutrin].
Nic więc dziwnego ,że do tego miejsca ściągnęli z całego świata “neutrinowcy”.
Chociaż tak naprawdę było całkiem inaczej.
To Chińczycy zaprosili z trzech kontynentów, 35 instytucji naukowych do współpracy nad odkryciem tajemnic “świadków” narodzin wszechświata.
Aktualnie przebywa tam ponad 100 fizyków z poza Chin, całość zespołu liczy ponad 200 osób [biorąc pod uwagę tylko doktorów fizyki, a nie personel techniczny] .
Ciekawe ,jak wielu Chińczyków zapraszają do siebie “Westy”?Na przykład CERN [LHC].
Program badawczy jest wspierany przez agencje finansujące w Chinach i USA, i jest jednym z największych projektów kooperacji naukowej między tymi dwoma krajami w historii ich wzajemnych stosunków .
Dodatkowe środki finansowe udostępnione są przez Tajwan , Czechy i Rosję [ 1 ].
Zbudowano [od 2007 r.]sześć detektorów neutrin ,a dwa dalsze są w budowie. Trzy podziemne ,olbrzymie hale eksperymentalne ,połączone długimi tunelami w górach sąsiadujących z zatoką Daya Bay, skrywają w sobie detektory , tak by chronić je przed promieniowaniem kosmicznym.
Izolacja od promieniowania otoczenia jest zagwarantowana umieszczeniem detektorów w basenach z wodą [w sumie – 120 ton ciekłej ochrony].
Trzy z nich są tzw. bliskimi detektorami,200-300 m od reaktorów, a trzy są zlokalizowane w średniej odległości 1650 m (tzw. dalekie detektory).Ta odległość odpowiada pierwszemu maksimum prawdopodobieństwa zanikania określonego typu neutrin o średniej energii 3 MeV.
Dzięki temu specyficznemu zestawowi doświadczalnemu (oraz kilku innym dobrym pomysłom) większość błędów systematycznych kasuje się już po dwóch miesiącach zbierania danych.
Pierwsze wyniki badań opublikowano 7 marca 2012 roku w raporcie tutaj[2,3].I od tego dnia, w wielu światowych ośrodkach fizyki neutrinowej trwają krytyczne analizy metody badań, odpowiednich równań matematycznych i obliczeń, oraz metodyki szacowania błędów pomiarowych.
Oto opinia o grupie badawczej i programie badań, oraz pierwszych wynikach przedstawiona publicznie przez amerykańskich fizyków kierujących laboratoriami wysokich energii
“It has been very gratifying to be able to work with such an outstanding international collaboration at the world’s most sensitive reactor neutrino experiment,” says Steve Kettell of Brookhaven National Laboratory, the chief scientist for the U.S. effort. “This moment is exciting because we have finally observed all three mixing angles, and now the way is cleared to explore the remaining parameters of neutrino oscillation
"It has been very gratifying to be able to work with such an outstanding international collaboration at the world's most sensitive reactor neutrino experiment," says Steve Kettell of Brookhaven National Laboratory, the chief scientist for the US effort.
Exemplary teamwork among the partners has led to this outstanding performance," says James Siegrist, DOE Associate Director of Science for High Energy Physics. These notable first results are just the beginning for the world's foremost reactor neutrino experiment”.
Jednak sensacyjność, oraz doniosłość tych wyników, można właściwie zrozumieć dopiero w świetle najważniejszych zasad i praw fizyki neutrin.
Neutrino do fizyki wprowadził w 1930 roku [4] fizyk austriacki Wolfgang Pauli ,jeden z kilku fizyków XX wieku ,którzy odkryli i sformułowali fizykę mikroświata. Jeśli istnieje skala geniuszy w fizyce, to Pauli jest u jej początku, według mnie – znacznie powyżej miejsca zajętego przez Alberta Einsteina. W Polsce jest znany głównie z “zasady Pauliego” ,tymczasem cała fizyka spinorów to jego dzieło.Wydalismy monumentalne biografie Bohra i Einsteina pióra Abrahama Paisa ,a nikt do tej pory nie wydał po polsku ,tego samego autora – biografii Pauliego[ nie wspominając już o fascynującej korespondencji Pauli-Jung].
W.Pauli [1900 - 1958]
W.Pauli ,w liście otwartym do Lise Meitner napisał ,że aby zachowane były energia i pęd podczas rozpadu jądra atomowego typu “beta-minus” ,to musi dodatkowo powstawać cząstka elementarna pozbawiona ładunku elektrycznego, o masie znikomej. Później Enrico Fermi nazwie ją “maleńkim neutronem” czyli – neutrino.
Dzisiaj wiemy ,że przy rozpadzie “beta-minus’ powstają ant-neutrina, które różnią się od neutrino tylko tzw. skrętnością (rzutem spinu na kierunek ruchu). Antyneutrino jest prawoskrętne, neutrino – lewoskrętne.
Dopiero w 1956 roku hipoteza Pauliego istnienia w przyrodzie neutrino, została doświadczalnie potwierdzona przez F.Reinesa i C.Cowana i od tego momentu fizyka neutrina przeszła z gabinetów teoretyków ,do laboratoriów wysokich energii. przykład rozpadu beta plus :
Praktycznie rzecz biorąc ,neutrina nie oddziałują z materią, jest ona dla nich przezroczysta. Ich wychwyt przez jądra atomowe ma znikomy przekrój czynny, oddziałują poprzez oddziaływania słabe i grawitacyjne.
Wykryto dotychczas trzy rodzaje neutrin [trzy “zapachy”, lub trzy stany zapachowe] .Neutrina elektronowe, mionowe i taunowe [ i symetrycznie : antyneutrina ].
Mion rozpada się na elektron i dwa neutrina[odkrycie w roku 1962 przez M. Schwartza, L. Ledermana i J. Steinbergera].Tak otrzymane neutrino nazywamy mionowym.
W 2000 roku M . Perl w projekcie eksperymentalnym o nazwie DONUT odkrył rozpad ciężkiego elektronu zwanego taonem na elektron i neutrino. Nazwano je neutrinem taonowym.
Przyjmuje się ,że wszystkie trzy stany zapachowe neutrin mają masy ,lecz dotychczasowe metody ich wyznaczenia, oraz wyniki są kontrowersyjne. Najmocniej ugruntowany jest wynik dla neutrina elektronowego [rzędu 1-2 eV lub poniżej tej wielkości]. W porównaniu- elektron ma masę ok. milion razy większą !Masy dwóch pozostałych odpowiednio większe [prawdopodobnie 17 eV i 250 eV].
Gdyby neutrina nie miały masy, nie występowałoby zjawisko przewidziane teoretycznie już w roku 1957 przez Bruno Pontecorvo zwane oscylacją neutrin [5,6 ].
Bruno Pontecorvo, z rodziny włoskich żydów,18 -letni asystent E.Fermiego, kilka lat później jako profesor fizyki teoretycznej zasłynął w Kanadzie, USA i W.Brytanii niezwykłą intuicją w odniesieniu do rozwijającej się burzliwie fizyce jądrowej, oraz mistrzostwem w abstrakcyjnym formalizmie matematycznym ,by jeszcze później zaskoczyć świat Zachodu niezwykłą woltą biograficzną: z całą rodziną pożegnał na zawsze “wolny świat” i wybrał ZSRR, jako swoją prawdziwą ojczyznę. Wielu znawców problematyki “zimnej wojny” sugerowało publicznie ,iż Bruno Pontecorvo był także utalentowanym “podwójnym agentem atomowym”.
Bruno Pontecorvo [1913 - 1993 ]
Natomiast według mojego przekonania ,Pontecorvo najbliżej ze wszystkich, był przy tajemnicach “świadków” narodzin wszechświata, a my teraz powoli kroczymy śladami jego myśli i intuicji.
Pontecorvo uzyskał matematycznie hipotezę istnienia trzech stanów zapachowych neutrina i po założeniu ,że mają różne, nie zerowe masy z równań uzyskał drugą, jeszcze bardziej niezwykłą hipotezę :
neutrina podlegają oscylacyjnym przemianom stanów zapachowych!
Oscylacyjnym ,to znaczy ,okresowo powtarzającym się stanom zapachowym typu : 1-->2 , 2-->3 , 1-->3
Pontecorvo określił prawdopodobieństwo oscylacji :
które jak widać jest zależne od :
-kąta mieszania mas “teta’
- różnicy kwadratów mas stanów zapachowych
-długości drogi neutrina L
-energii neutrina E.
Współczesne badania oscylacji neutrin skupiają się na parametrze zwanym “kątem mieszania” typu 1--> 2 oraz 2--> 3 ,z dosyć akceptowanymi wynikami na przykładzie neutrin słonecznycvh i atmosferycznych. I tutaj przychodzi sukces z Daya Bay.
Międzynarodowy zespół blisko 200 osobowy, obserwując i mierząc dziesiątki tysięcy reakcji oddziaływania neutrin elektronowych przez okres od 24 grudnia 2011 do dnia 17 lutego 2012 bez przerwy- uzyskał wartość “teta jeden-trzy”.
Wynik dla kwadratu sinusa tety[jeden-trzy] brzmiał:
0,092 plus minus 0,017.
Natomiast dla oscylacji typu 1à 3 wystąpiły poważne trudności techniczne i olbrzymie błędy pomiarowe ,więc w ostateczności ogół środowisk badawczych zgadzał się na wartość tego parametru -zerową.Czyli ,że tej oscylacji nie ma w przyrodzie.
Daya Bay, to informacja do podręczników fizyki o następującym fakcie:
Istnieje trzeci rodzaj neutrin – neutrina taonowe i ich kąt mieszania jest znany.
Doniosłość odkrycia fizyki w Chinach dla mechaniki kwantowej i kosmologii jest ogromna.
Neutrina zmuszają nas do rewizji Modelu Standardowego Cząstek Elementarnych.
Fizyka neutrin , tak mocno osadzona w eksperymentach laboratoryjnych ,prawdopodobnie pozwoli nam wyjaśnić zagadkową przewagę materii nad antymaterią i może zbliży nas do tajemnicy mechanizmu przyczynowego Big Bangu.
Ciekawe, kiedy jakaś grupa badawcza fizyki z uczelni poza warszawskich nawiąże współpracę z Daya Bay? Tam rodzi się nowe myślenie o tajemnicach wszechświata. Amerykanie, Rosjanie, już tam są, nawet Czesi[!] tam podążyli.
”warszawka” patrzy tylko na Zachód, bo przecież tam , przy LHC przez dwa lata można nic nie robić ,a kasę z UE brać...Chińczycy leni i obiboków w nauce nie tolerują. Podobnie jak Amerykanie i Rosjanie.
Co innego u “dojnej krowy” brukselskiej...
Literatura
[1] A Precision Measurement of the Neutrino Mixing Angle _13 UsingReactor Antineutrinos At Daya Bay ,
arXiv: hep-ex/0701029
[3] Observation of Elektro-Antineutrino Disappearance at Daya Bay,Physical Review Letters,108,(17),2012
[4] W. Pauli, Collected works, B.I,II,ed. Kronig , Weisskopf, Wiley, New York 1964
[6] B. Pontecorvo ,Neutrino Experiments and the Problem of Conservation of Leptonic Charge".
Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53: 1717 ,1967
