Neutrino je elementární částice, která je velmi podobná elektronu, ale nemá elektrický náboj. Má velmi malou hmotnost, která může být dokonce nulová. Rychlost neutrina závisí také na hmotnosti. Rozdíl v době příchodu částice a světla je 0,0006 % (± 0,0012 %). V roce 2011 během experimentu OPERA bylo zjištěno, že rychlost neutrin překračuje rychlost světla, ale nezávislá zkušenost to nepotvrdila.
Nepolapitelná částice
Toto je jedna z nejběžnějších částic ve vesmíru. Vzhledem k tomu, že velmi málo interaguje s hmotou, je neuvěřitelně obtížné ji detekovat. Elektrony a neutrina se neúčastní silných jaderných interakcí, ale rovným dílem se účastní slabých. Částice s těmito vlastnostmi se nazývají leptony. Kromě elektronu (a jeho antičástice, pozitronu), nabité leptony zahrnují mion (200 hmotností elektronů), tau (3500 hmotností elektronů) a jejich antičástice. Říká se jim: elektronová, mionová a tau-neutrina. Každý z nich má anti-materiálovou složku zvanou antineutrino.
Muon a tau, stejně jako elektron, jsou doprovázeny částicemi. Jedná se o mionová a tau neutrina. Tyto tři typy částic se od sebe liší. Například, když mionová neutrina interagují s cílem, vždy produkují miony, nikdy ne tau nebo elektrony. Při interakci částic sice mohou vznikat a ničit elektrony a elektronová neutrina, ale jejich součet zůstává nezměněn. Tato skutečnost vede k rozdělení leptonů do tří typů, z nichž každý má nabitý lepton a doprovodné neutrino.
K detekci této částice jsou potřeba velmi velké a extrémně citlivé detektory. Nízkoenergetická neutrina obvykle urazí mnoho světelných let, než dojde k interakci s hmotou. V důsledku toho se všechny pozemní experimenty s nimi spoléhají na měření jejich malé části v interakci se zapisovači přiměřené velikosti. Například v Sudbury Neutrino Observatory, obsahující 1000 tun těžké vody, prochází detektorem asi 1012 slunečních neutrin za sekundu. A najde se jen 30 denně.
Historie objevů
Wolfgang Pauli poprvé předpokládal existenci částice v roce 1930. V té době vyvstal problém, protože se zdálo, že energie a moment hybnosti nebyly při beta rozpadu zachovány. Ale Pauli poznamenal, že pokud je emitována neinteragující neutrální neutrinová částice, pak bude dodržen zákon zachování energie. Italský fyzik Enrico Fermi vyvinul v roce 1934 teorii beta rozpadu a dal částici její jméno.
Navzdory všem předpovědím nemohla být neutrina po 20 let experimentálně detekována kvůli jejich slabé interakci s hmotou. Protože částice nejsou elektrickynabité, nejsou ovlivněny elektromagnetickými silami, a proto nezpůsobují ionizaci hmoty. Navíc reagují s hmotou pouze prostřednictvím slabých interakcí zanedbatelné síly. Jedná se tedy o nejpronikavější subatomární částice, schopné projít obrovským množstvím atomů, aniž by vyvolaly jakoukoli reakci. Pouze 1 z 10 miliard těchto částic, které cestují hmotou na vzdálenost rovnající se průměru Země, reaguje s protonem nebo neutronem.
Konečně v roce 1956 skupina amerických fyziků vedená Frederickem Reinesem oznámila objev elektron-antineutrina. V jejích experimentech antineutrina emitovaná z jaderného reaktoru interagovala s protony za vzniku neutronů a pozitronů. Jedinečné (a vzácné) energetické signatury těchto nejnovějších vedlejších produktů poskytují důkazy o existenci částice.
Objev nabitých mionových leptonů se stal výchozím bodem pro následnou identifikaci druhého typu neutrin - mionu. Jejich identifikace byla provedena v roce 1962 na základě výsledků experimentu v urychlovači částic. Vysokoenergetická mionová neutrina byla produkována rozpadem pí-mezonů a odeslána do detektoru takovým způsobem, aby bylo možné studovat jejich reakce s hmotou. I když jsou nereaktivní, stejně jako jiné typy těchto částic, bylo zjištěno, že ve vzácných případech, kdy reagují s protony nebo neutrony, tvoří mionová neutrina miony, ale nikdy elektrony. V roce 1998 američtí fyzici Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinbergerobdržel Nobelovu cenu za fyziku za identifikaci mion-neutrina.
V polovině 70. let byla fyzika neutrin doplněna o další typ nabitých leptonů - tau. Ukázalo se, že tau neutrino a tau antineutrino jsou spojeny s tímto třetím nabitým leptonem. V roce 2000 fyzici v National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi oznámil první experimentální důkaz existence tohoto typu částic.
Hmotnost
Všechny typy neutrin mají hmotnost mnohem menší než hmotnost jejich nabitých protějšků. Experimenty například ukazují, že hmotnost elektron-neutrino musí být menší než 0,002 % hmotnosti elektronu a že součet hmotností tří druhů musí být menší než 0,48 eV. Po mnoho let se zdálo, že hmotnost částice je nulová, ačkoli neexistoval žádný přesvědčivý teoretický důkaz, proč by tomu tak mělo být. Pak, v roce 2002, Sudbury Neutrino Observatory poskytla první přímý důkaz, že elektronová neutrina emitovaná jadernými reakcemi ve slunečním jádru se mění, když jím procházejí. Takové "oscilace" neutrin jsou možné, pokud jeden nebo více typů částic má nějakou malou hmotnost. Jejich studie interakce kosmického záření v zemské atmosféře také naznačují přítomnost hmoty, ale k jejímu přesnějšímu určení jsou zapotřebí další experimenty.
Zdroje
Přirozenými zdroji neutrin jsou radioaktivní rozpady prvků v útrobách Země, ve kterýchje emitován velký proud nízkoenergetických elektronů-antineutrin. Supernovy jsou také převážně neutrinový jev, protože pouze tyto částice mohou proniknout superhustým materiálem produkovaným v kolabující hvězdě; jen malá část energie se přemění na světlo. Výpočty ukazují, že asi 2 % energie Slunce tvoří energie neutrin vzniklých při termonukleárních fúzních reakcích. Je pravděpodobné, že většinu temné hmoty ve vesmíru tvoří neutrina produkovaná během Velkého třesku.
Problémy fyziky
Obory související s neutriny a astrofyzikou jsou rozmanité a rychle se rozvíjející. Současné otázky přitahující velké množství experimentálních a teoretických snah jsou následující:
- Jaké jsou hmotnosti různých neutrin?
- Jak ovlivňují kosmologii velkého třesku?
- Kmitají?
- Mohou se neutrina jednoho typu přeměnit na jiný, když cestují hmotou a prostorem?
- Liší se neutrina zásadně od jejich antičástic?
- Jak se hvězdy hroutí a tvoří supernovy?
- Jaká je role neutrin v kosmologii?
Jedním z dlouhodobých problémů zvláštního zájmu je takzvaný problém slunečních neutrin. Tento název odkazuje na skutečnost, že během několika pozemských experimentů provedených za posledních 30 let bylo trvale pozorováno méně částic, než je potřeba k výrobě energie emitované Sluncem. Jedním z jeho možných řešení je oscilace, tedy transformace elektronikyneutrina na miony nebo tau při cestování na Zemi. Protože je mnohem obtížnější měřit nízkoenergetická mionová nebo tau neutrina, tento druh transformace by mohl vysvětlit, proč na Zemi nepozorujeme správný počet částic.
Čtvrtá Nobelova cena
Nobelova cena za fyziku za rok 2015 byla udělena Takaaki Kajita a Arthur McDonald za objev hmoty neutrin. Jednalo se o čtvrté takové ocenění související s experimentálním měřením těchto částic. Někteří by se mohli divit, proč bychom se měli tolik starat o něco, co sotva interaguje s běžnou hmotou.
Samotná skutečnost, že dokážeme detekovat tyto pomíjivé částice, je důkazem lidské vynalézavosti. Protože pravidla kvantové mechaniky jsou pravděpodobnostní, víme, že i když téměř všechna neutrina procházejí Zemí, některá z nich s ní budou interagovat. Detektor dostatečně velký, aby to detekoval.
První takové zařízení bylo postaveno v šedesátých letech hluboko v dole v Jižní Dakotě. Důl byl naplněn 400 tisíci litry čisticí kapaliny. V průměru jedna neutrinová částice každý den interaguje s atomem chloru a mění jej na argon. Je neuvěřitelné, že Raymond Davis, který měl na starosti detektor, přišel na způsob, jak detekovat těchto pár atomů argonu, a o čtyři desetiletí později, v roce 2002, mu byla za tento úžasný technický výkon udělena Nobelova cena.
Nová astronomie
Protože neutrina interagují tak slabě, mohou cestovat na velké vzdálenosti. Dávají nám možnost nahlédnout do míst, která bychom jinak nikdy neviděli. Neutrina, která Davis objevila, byla produkována jadernými reakcemi, které probíhaly v samém středu Slunce, a dokázala uniknout z tohoto neuvěřitelně hustého a horkého místa jen proto, že téměř neinteragují s jinou hmotou. Je dokonce možné detekovat neutrino letící ze středu explodující hvězdy ve vzdálenosti více než sto tisíc světelných let od Země.
Tyto částice navíc umožňují pozorovat vesmír ve velmi malém měřítku, mnohem menším, než kam se může podívat Velký hadronový urychlovač v Ženevě, který objevil Higgsův boson. Z tohoto důvodu se Nobelova komise rozhodla udělit Nobelovu cenu za objev dalšího typu neutrin.
Mysterious Missing
Když Ray Davis pozoroval sluneční neutrina, našel pouze třetinu očekávaného počtu. Většina fyziků věřila, že důvodem byla špatná znalost astrofyziky Slunce: možná modely nitra hvězdy přeceňují počet neutrin v ní produkovaných. Přesto v průběhu let, i když se solární modely zdokonalovaly, nedostatek přetrvával. Fyzici upozornili na další možnost: problém by mohl souviset s naším chápáním těchto částic. Podle tehdy převládající teorie neměly žádnou hmotnost. Ale někteří fyzici tvrdili, že částice měly ve skutečnosti nekonečně malémše a tato mše byla důvodem jejich nedostatku.
Tříhlavá částice
Podle teorie oscilací neutrin existují v přírodě tři různé typy neutrin. Pokud má částice hmotnost, pak se při pohybu může měnit z jednoho typu na druhý. Tři typy - elektron, mion a tau - mohou být při interakci s hmotou přeměněny na odpovídající nabité částice (elektron, mion nebo tau lepton). "Kmitání" nastává v důsledku kvantové mechaniky. Typ neutrin není konstantní. Časem se to mění. Neutrino, které začalo svou existenci jako elektron, se může proměnit v mion a pak zpět. Částice vytvořená v jádru Slunce se tak na své cestě k Zemi může periodicky měnit v mion-neutrino a naopak. Protože Davisův detektor dokázal detekovat pouze elektronová neutrina schopná vést k jaderné transmutaci chloru na argon, zdálo se možné, že se chybějící neutrina změnila na jiné typy. (Jak se ukázalo, neutrina oscilují uvnitř Slunce, nikoli na cestě k Zemi.)
Kanadský experiment
Jediný způsob, jak to otestovat, bylo postavit detektor, který by fungoval pro všechny tři typy neutrin. Od 90. let minulého století vedl Arthur McDonald z Queen's Ontario University tým, který to dělal v dole v Sudbury v Ontariu. Zařízení obsahovalo tuny těžké vody zapůjčené od kanadské vlády. Těžká voda je vzácná, ale přirozeně se vyskytující forma vody, ve které vodík, obsahující jeden proton,nahrazeno jeho těžším izotopem deuteriem, které obsahuje proton a neutron. Kanadská vláda vytvořila zásoby těžké vody, protože se používá jako chladivo v jaderných reaktorech. Všechny tři typy neutrin mohly zničit deuterium za vzniku protonu a neutronu a neutrony byly poté spočítány. Detektor zaregistroval asi trojnásobný počet částic ve srovnání s Davisem – přesně takový počet, který předpovídaly nejlepší modely Slunce. To naznačovalo, že elektronové neutrino by mohlo oscilovat do jiných typů.
Japonský experiment
Zhruba ve stejnou dobu prováděl Takaaki Kajita z Tokijské univerzity další pozoruhodný experiment. Detektor instalovaný v dole v Japonsku zaregistroval neutrina pocházející nikoli z útrob Slunce, ale z horních vrstev atmosféry. Když se protony kosmického záření srazí s atmosférou, vytvoří se spršky dalších částic, včetně mionových neutrin. V dole přeměnili vodíková jádra na miony. Detektor Kajita viděl částice přicházející ve dvou směrech. Některé padaly shora, vycházely z atmosféry, zatímco jiné se pohybovaly zdola. Počet částic byl různý, což naznačovalo jejich odlišnou povahu - byly v různých bodech svých oscilačních cyklů.
Revoluce ve vědě
Je to všechno exotické a úžasné, ale proč oscilace a hmoty neutrin přitahují tolik pozornosti? Důvod je prostý. Ve standardním modelu částicové fyziky vyvinutém během posledních padesáti let dvacátého století,který správně popsal všechna ostatní pozorování v urychlovačích a dalších experimentech, měla být neutrina bezhmotná. Objev hmoty neutrin naznačuje, že něco chybí. Standardní model není kompletní. Chybějící prvky musí být ještě objeveny, buď prostřednictvím Velkého hadronového urychlovače nebo jiného stroje, který teprve bude vytvořen.
