O rozpadzie i trwałości

Sporo do tej pory mówiliśmy sobie o rozpadzie radioaktywnym i innych zjawiskach, które łączy wspólna cecha: wszystkie wynikają z dążenia różnych obiektów do osiągnięcia optymalnego, czyli najniższego w danych warunkach, stanu energetycznego. Brzmi to skomplikowanie, ale każdy zgodzi się, że łatwiej siedzieć, niż stać, a jeszcze lepiej się po prostu położyć, gdy jest po temu okazja.

Dokładnie tak samo robią wszystkie obiekty we Wszechświecie: elektron krążący wokół jądra atomowego, mający do wyboru różne orbitale, zawsze wybiera ten najmniej energetyczny. Jądro posiadające nadmiar neutronów skorzysta z kanału rozpadu, który znamy jako beta minus. Atom posiadający na ostatniej powłoce mniej niż osiem lub dwa elektrony chętnie stworzy związek z innym tak, aby tę powłokę zapełnić. Swobodny neutron po pewnym czasie przemieni się w lżejszy proton. Zjawiska na pozór różne: z pierwszego wynikają właściwości pierwiastków, z kolejnych rozpad radioaktywny, powstawanie związków chemicznych i występowanie takich cząsteczek jak dwuatomowy tlen czy wodór oraz przewaga protonów we Wszechświecie. Wszystkie wynikają z „chęci” pozbycia się nadmiaru energii z układu.

Tak powstały stabilne jądra atomowe, które aktualnie składają się na materię budującą otaczający nas Wszechświat. Wodór jest bardzo stary − powstał ponad 13 miliardów lat temu; kilka miliardów lat młodsze są węgiel, który nas buduje, czy tlen. Nasuwa się wobec tego pytanie: Czy będą one istnieć już zawsze? Dobre pytanie, przy którym warto sobie odpowiedzieć na inne: co decyduje o tym, że wodór jest wodorem, tlen tlenem a węgiel węglem? Odpowiedź jest prosta: liczba atomowa, pod którą kryje się liczba protonów w danym jądrze. Jeśli mamy przed sobą jądro z jednym protonem, to patrzymy na izotop wodoru zwany protem; jeśli będą tam dwa protony i dwa neutrony, to będzie to na pewno izotop ⁴He i tak dalej. Odpowiednia liczba protonów i neutronów w jądrze jest warunkiem ich stabilności.

Zwróćcie uwagę na jeden szczegół, który powinien nas naprowadzić na postawione pytanie. O ile zaobserwowaliśmy (w ten czy inny sposób) wielokrotnie rozpad neutronu, to czy kiedykolwiek zaobserwowano rozpad protonu? Jeśli nie, to oznacza to, że w przewidywalnej przyszłości stabilne izotopy takimi pozostaną z uwagi na jego trwałość. No to jak brzmi odpowiedź? Ano, jest złożona, ale limitu znaków tu nie mam, więc postaram się opisać to jak najczytelniej, gdyż zza rogu wychylają się ludzie tacy jak Schrödinger, Heisenberg i kilku innych mechaników kwantowych.

Żeby stwierdzić, czy dany obiekt − niezależnie, czy mowa o cząstce elementarnej, czy jądrze atomowym − podlega rozpadowi, nikt nie łapie jednej sztuki, nie umieszcza jej w detektorze i nie czeka, bo z tego nic nie wyniknie. Pierwszą sprawą jest to, że nie wiadomo, ile należy czekać, a drugą − że nie ma żadnego sposobu, aby się tego dowiedzieć. Taka jest konsekwencja zasady nieoznaczoności: swobodny neutron rozpada się po ok. 15 minutach. Kluczowe jest tu „ok.”, co oznacza, że może się to stać za sekundę lub mniej albo za milion lat. Należy zebrać więcej badanych obiektów i posłużyć się statystyką. Nie trzeba do tego żadnej wiedzy matematycznej poza pojmowaniem prostych zależności: jeśli mamy w zbiorniku 100 000 danych jąder i po roku zaobserwujemy, że doszło do 100 rozpadów radioaktywnych, to z prostego rachunku wynika, że takie jądro istnieje ok. 1000 lat. W taki sposób zresztą oszacowano czas półrozpadu węgla ¹⁴C, używanego w datowaniu, czy izotopu bizmutu, którego czas półrozpadu wynosi szacunkowo więcej niż czas istnienia Wszechświata, oraz kwestię rozpadu neutronów.

Czy podobnych eksperymentów próbowano z protonami? Na pierwszy rzut oka, uwzględniając wiedzę o zasadach zachowania, to nie ma to sensu. Przyczyna jest bardzo prosta: omawiana cząstka musi mieć na co się rozpaść, a mówiąc precyzyjniej, produkty danego sposobu rozpadu muszą uwzględniać zasady zachowania ładunków i liczb opisujących daną cząstkę. Szczegółowo omawiałem to w cyklu opisującym odkrycie neutrin (Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza). Neutron rozpada się (rozpad nie wymaga dostarczenia energii, jest samoistny), gdyż mówiąc kolokwialnie, nie jest najlżejszy w swojej kategorii (bariony) i ma na co (proton). Proton pozostaje trwały, gdyż nie ma żadnego sposobu, aby mógł się rozpaść: jeśli rozpada się cząstka taka jak barion (albo mówiąc liczbami kwantowymi, cząstka posiadająca liczbę barionową +1) to wśród produktów rozpadu musi być przynajmniej jeden barion (cząstka posiadająca liczbę barionową +1). Proton nie może rozpaść się na bardziej trwały barion, gdyż takiego po prostu nie ma. A czy jest możliwy rozpad na inne typy cząstek?

Symbol B oznacza liczbę barionową, L – leptonową a el. ładunek elektryczny.

W naszym Wszechświecie nie ma żadnego problemu, aby rozpad przebiegał naprawdę dziwnie, tak że pojawiają się obiekty, które nie wiadomo skąd się wzięły. Tak długo, jak długo ogólna liczba wszystkich ładunków wynosi po lewej i prawej tyle samo, dany proces może zajść. A jeśli może, to prędzej czy później zajdzie.

Czy wobec tego odpowiedź brzmi, iż protony są absolutnie trwałe, a rzeczy takie jak wodór będą istniały kolejne setki miliardów lat? Jeśli odpowiedzieć tylko na drugą część pytania to odpowiedź brzmi: tak. Jeśli chcieć odpowiedzieć na całość, to odpowiedź brzmi: nie wiemy ale chyba tak.

Dlaczego nie wiemy? Bo absolutna trwałość protonów pasuje do tego Wszechświata jak wielu polityków do zajmowanych stanowisk: no, jest, ale wielu uważa, że coś jest ewidentnie nie tak. I co ciekawe, nie są to fizycy kwantowi, a astronomowie. O ile w przypadku ładunków elektrycznych czy kolorowych ich wypadkowa wartość daje 0, o tyle w przypadku pozostałych nie mamy takiej pewności, a w przypadku obiektów opisywanych liczbą barionową złamanie tej symetrii rzuca się w oczy od razu: materii jest wyraźnie więcej niż antymaterii.

Właśnie stwierdzenie tej oczywistości nakazało nam spojrzeć jeszcze raz na naszą najlepszą teorię dotyczącą cząstek elementarnych, tj. Model Standardowy.

To przyglądanie się uprawiał między innymi Sheldon Glashow, który jako jeden z pierwszych wyjaśnił masę bozonów oddziaływania słabego i naprowadził nas na ślad bozonu Higgsa oraz złamanej symetrii pomiędzy oddziaływaniem elektromagnetycznym i słabym. Ewidentnie to jego dziedzina, więc warto zapoznać się z wnioskami do których doszedł.

Glashow, jak wspomniałem wyżej, był jednym z autorów teorii, która opisuje oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne jako dwa przejawy jednego, bardziej pierwotnego oddziaływania nazwanego elektrosłabym i jego symetrii. Nic dziwnego, że w swoich rozważaniach posunął się krok dalej (zresztą nie on jeden) i zaczął szukać symetrii pomiędzy oddziaływaniem silnym i elektrosłabym. Doszedł do bardzo ciekawych wniosków: w jego opisie liczba barionowa przestaje mieć znaczenie, a ujawnia się związek pomiędzy liczbą kwarkową a leptonową.

Matematycznie nie ma przeszkód, aby mogło istnieć oddziaływanie łączące ich cechy w ramach jednego, a jego nośniki miałyby bardzo ciekawą cechę. Ponieważ posiadałyby zarówno nieznikający ładunek elektryczny, jak i kolorowy, to byłyby zdolne do zamiany kwarków w leptony (ściśle antyleptony) i na odwrót. Taki proces w połączeniu z rozszerzaniem i ochładzaniem się Wszechświata mógłby doprowadzić do obserwowanej nierównowagi materii i antymaterii. Mógłby również prowadzić do rozpadu protonu, co pozwoliłoby nam odpowiedzieć odrobinę ściślej na pytanie o przyszłość jąder atomowych. W ramach tego modelu opis barionu takiego jak proton jest możliwy w sposób, który powoduje przemianę kwarku w antykwark i antylepton. Stąd byłby możliwy rozpad taki jak na poniższej ilustracji:

W tym procesie za pośrednictwem hipotetycznego bozonu X (prawda że oryginalnie? w ramach ciekawostki − drugi nazwano Y) dwa kwarki górne ulegają przemianie w antykwark dolny i pozyton. Pozostały kwark dolny wraz z antykwarkiem tworzą cząstkę znaną jako pion⁰.

No i fajnie: wymyślili sobie naukowcy, zrobili obliczenia i coś jest hipotetycznie możliwe. Tylko jak to sprawdzić? W tym przypadku dobrze się składa, bo proponowany kanał rozpadu daje bardzo charakterystyczny ślad! Piony nie są cząstkami trwałymi i ulegają szybkiemu rozpadowi w charakterystyczny sposób: w przypadku pionów⁰ produktem są dwa wysokoenergetyczne fotony, pozyton zaś szybko napotyka na elektron i w procesie znanym jako anihilacja również emituje (najczęściej) dwa fotony o określonych energiach. Fotony zaś łatwo zaobserwować − w końcu to promieniowanie elektromagnetyczne, które potrafimy rejestrować na wiele sposobów.

Problem tkwi tylko w tym, że fotony docierają do nas z wielu stron, a rozpad protonu raczej procesem częstym nie jest. Oznacza to, że potrzebujemy dużej liczby protonów w odpowiednio odizolowanym miejscu otoczonym ogromną liczbą fotopowielaczy zdolnych do wyłapania interesujących nas fotonów. Duża liczba protonów to nie problem, na nasze potrzeby do eksperymentu wystarczy duża ilość czystej wody. Problem pojawia się, gdy mowa o odizolowaniu takiej ilości wody, aby nie miała kontaktu (lub miała minimalny kontakt) z promieniowaniem, które mogłoby zafałszować wyniki eksperymentu. No i dobrze się składa po raz kolejny, bo mamy takie miejsce: detektor Super-Kamiokande.

fot. CC BY-SA 3.0

Fotografia jest mało efektowna, ale podejrzewam, że wejście do środka u każdego wywołałoby efekt WOW! Jest to zbiornik zdolny do pomieszczenia ok. 50 000 ton czystej wody otoczonej 12 000 fotopowielaczy zdolnych wyłapać efekty zachodzących tam reakcji. Całość znajduje się w Japonii, głęboko pod ziemią niedaleko miejscowości znanej jako Kamioka. Prowadzony tam eksperyment był kontynuacją prowadzonego wcześniej (w latach 1983−1995) w 3000-tonowym detektorze eksperymentu „Kamioka Nucleon Decay Experiment„. Jakie były wyniki eksperymentu prowadzonego w tym gigantycznym zbiorniku?

Jeśli proton ulega rozpadowi, to czas jego półtrwania jest nie krótszy niż 10³⁴ lat (dla porównania szacowany czas istnienia Wszechświata to zaledwie 1,38 × 10¹⁰ lat!). Zbiornik zawierał ok. 50 000 ton wody, tj. 10³⁴ protonów stanowiących jądra obecnego tam wodoru. Rok obserwacji nie dał ani jednego śladu mogącego świadczyć, że taki rozpad jest możliwy. Stąd stwierdzenie „nie krótszy niż”, wynikające z ograniczeń samego eksperymentu.

Za naszego życia i za życia naszych przewidywalnych potomków stabilne izotopy raczej takimi pozostaną. Zabawne jest to, jak po raz kolejny z pozoru proste pytanie, co jest stabilne, a co ulega rozpadowi, prowadzi nas do rozważań na temat samej natury Wszechświata. A jakie jest wasze zdanie na temat stabilności materii i wspomnianej nierównowagi pomiędzy nią a jej lustrzanym odbiciem? Zapraszam do dyskusji w komentarzach.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.