Waritrony czyli na tropie tajemnicy jądra atomowego

Około 110 lat temu fizyka dokonała jednego z największych odkryć XX wieku—stwierdziła istnienie promieni kosmicznych. Promieniom tym poświęcono kilkaset prac naukowych. Przekonano się, że owe promienie kosmiczne stanowią strumienie najrozmaitszych mikrocząstek, nieustannie padających na Ziemię z przestrzeni pozaziemskich. Jedne z nich dochodzą do nas z obszarów międzyplanetarnych — z Kosmosu, jak mówią astronomowie. Inne powstają w powietrzu, w atmosferze ziemskiej: rodzą się przy zderzeniu pierwotnych cząstek kosmicznych z jądrami atomów powietrza.

Badanie własności promieni kosmicznych wymaga wielkich wysiłków. Jedni badacze odbywali podróże dookoła świata, aby zmierzyć natężenie promieni kosmicznych w różnych miejscach kuli ziemskiej, Inni, pragnąc poznać, jak zmieniają się własności promieni przy zmianie wysokości, budowali laboratoria na szczytach gór, na wysokości czterech lub nawet pięciu kilometrów nad poziomem morza. Trzecia grupa uczonych, pragnąc dostać się jeszcze wyżej, wznosiła się ze swymi przyrządami w górę na samolotach, balonach, i stratostatach. Czwarta grupa badaczy spuszczała się głęboko pod ziemię, do kopalń węgla lub miedzi, aby poznać, jak słabną promienie kosmiczne w głębi skorupy ziemskiej. Piąta wreszcie grupa, mierząc zdolność przenikania wszechobecnych promieni w głąb wody, spuszczała przyrządy na dno oceanu… Na lądzie, na wodzie i w powietrzu uczeni rozplątują cierpliwie, jedną po drugiej, zagadki niewidzialnych promieni.

Cóż możemy powiedzieć po upływie czterech dziesięcioleci o naturze promieni kosmicznych?

Bardzo wysoko, gdzie prawie zupełnie nie ma powietrza, promienie kosmiczne składają się prawie tylko z pierwotnych mikrocząstek, które dobiegają do naszej planety z głębin przestrzeni wszechświata. Przez długi czas uczeni nie umieli dokładnie ustalić, co to są za cząstki, i przyjmowali, że są to elektrony. Dopiero zupełnie niedawno udało się stwierdzić, że pierwotne cząstki kosmiczne są to protony, to jest jądra atomów wodoru. Nikt nie wie, skąd przychodzą do nas ci międzygwiezdni wędrowcy, i nauka nie odkryła jeszcze tajemnicy ich olbrzymiej energii.

Większość protonów kosmicznych nie dobiega do Ziemi, przeszkadzają im atomy powietrza. Jeżeli proton trafia prosto w jądro atomowe, to „zatrzymuje się“ — traci całą swoją olbrzymią energię. Takie zderzenie protonu z jądrem atomowym powoduje interesujące zjawisko: narodziny kilku innych mikrocząstek — mezonów (czyli mezotronów). Cząstki te są dziesięć razy lżejsze od protonu. Niektóre mają dodatni nabój elektryczny, inne — ujemny.

Pobrawszy energię protonu kosmicznego, mezony kontynuują jego drogę ku Ziemi. Mezony nie są jednak długowieczne: „żyją“ jedną lub dwie milionowe części sekundy. Część spośród nich zdąży w ciągu tego czasu dobiec do Ziemi, inne giną po drodze. Przekształcają się przy tym w nowe cząstki — elektrony i neutrino. Każdy ujemny mezon daje życie jednemu ujemnie naładowanemu elektronowi :— i neutrino — cząstce bez naboju elektrycznego. Każdy dodatni mezon rodzi neutrino i elektron o dodatnim naboju, czyli, jak go się zwykle nazywa, pożytron. Przy tych przekształceniach prawie cała masa mezonów przechodzi w energię ruchu nowych cząstek. Dlatego elektron jest zupełnie lekką cząstką: jest dwieście razy lżejszy od mezonu. Elektrony, zrodzone przez mezony, fizycy nazywają „elek. tronami z rozpadu“.

Potomstwo mezonu kontynuuje jego drogę ku Ziemi. Lekkim elektronom, powstałym z rozpadu, jest jednak znacznie trudniej przedrzeć się poprzez atomy powietrza niż cięższym mezonom. Mezony przechodząc przez materię tracą swoją energię jedynie na to, aby odrywać od atomów napotykanej materii ujemne elektrony, wchodzące w ich skład. Zjawisko to fizycy nazywają jonizacją atomów. Elektrony z rozpadu natomiast wydatkują energię nie tylko na jonizację atomów powietrza. Znaczną część energii tracą przebiegając obok jąder atomowych: siły elektryczne jąder gwałtownie hamują ruch cząstek lekkich. Energia tych cząstek nie znika oczywiście bez śladu. Hamowanie elektronów połączone jest z pojawianiem się nowych mikrocząstek –fotonów.

Energię, otrzymaną od elektronów, fotony bardzo szybko tracą, przebiegając przez materię. Nie tracą one wprawdzie energii na jonizację atomów i nie są hamowane przez jądra atomowe, gdyż nie posiadają naboju elektrycznego. Foton promieni kosmicznych po przyjściu na świat przekształca się zaraz w parę innych mikrocząstek — w elektron dodatni i ujemny. Na wytworzenie masy tych cząstek foton traci właśnie część swojej energii. Kosztem zaś pozostałej jego energii nowonarodzona para biegnie dalej ku Ziemi. Hamowana jednak przez jądra atomowe wytwarza znowu fotony, te zaś rodzą pary — i tak dalej dopóty, dopóki cała masa i energia mezonu, który to zrodził pierwszy elektron, nie przekształci się w masę wielkiej ulewy lekkich cząstek. Na koniec zaś to mnóstwo cząstek posiada już tak niewielką energię ruchu, że można je traktować, jak gdyby się już nie poruszały; przyłączają się one do atomów powietrza i w niczym więcej nie ujawniają swego kosmicznego pochodzenia.

Niewidzialny deszcz elektronów, mezonów, fotonów nieustannie zalewa naszą Ziemię. Promienie kosmiczne przenikają przez dachy i ściany domów, wchodzą do wody i gleby. Lekkie elektrony nie mogą jednak zbyt głęboko się posunąć: tracą całą swoją energię na wytworzenie ulew i dość szybko dołączają sdę do atomów, czyli, jak mówią fizycy, są „pochłaniane“ (absorbowane) przez materię. Uczonym udało się stwierdzić, że prawie wszystkie elektrony promieni kosmicznych zostają pochłonięte przez warstwę ołowiu o grubości około 10 cm. Zupełnie inaczej zachowują się cięższe cząstki — mezony. Jądra atomowe nie mogą ich tak silnie zahamować jak cząstki lekkie, toteż mezony tracą energię tylko na jonizację atomów, mogą przeniknąć na kilkaset metrów pod powierzchnię ziemi lub przejść przez warstwę ołowiu o grubości kilku metrów.