O neutrínach a ľuďoch

Neutrína zažili pred pár rokmi svojich 15 minút slávy. Vedci z experimentu Opera totiž ohlásili, že im namerali nadsvetelnú rýchlosť. Ukázalo sa, že šlo len o technickú chybu a neutrína sa vytratili z pozornosti verejnosti. Je to škoda, ich výskum totiž patrí medzi to najfascinujúcejšie, čo dnešná fyzika ponúka.

O existencii neutrín sa začalo hovoriť začiatkom 40. rokov minulého storočia pri výskume tzv. beta rozpadov. Ide o jadrovú reakciu, pri ktorej sa neutrón zmení na protón a elektrón (alebo naopak). Svätým grálom fyziky dovtedy boli zákony zachovania. Najznámejší z nich hovorí, že celková energia sa musí zachovávať, aj keď môže zmeniť formu. Beta rozpad tieto zákony zdanlivo narúšal.

Fyzici mali len dve možnosti – buď sa vzdať zákonov zachovania, alebo nájsť iné vysvetlenie. To ponúkol Wolfgang Pauli a znelo zhruba takto: „Čo ak pri beta rozpade vzniká takmer nepozorovateľná častica – neutríno, ktorý odnáša chýbajúcu časť energie?“. Napriek tomu, že trafil klinec po hlavičke, dlho si svoj nápad vyčítal. Nepáčilo sa mu totiž, že sa nedá overiť experimentom.

Prelom prišiel až o vyše 20 rokov, keď sa neutríno podarilo konečne zachytiť. Myšlienka experimentu bola jednoduchá: pri beta rozpade sa mení neutrón na protón a von vyletí neutríno. Fungovať by to malo aj naopak – neutríno narazí na protón, ten sa zmení na neutrón, čoho vedľajším produktom bude slabý svetelný záblesk. Vedci teda nepozorovali priamo neutrína, ale len dôsledky ich interakcie. O 40 rokov neskôr si v Štokholme kráčali po Nobelovu cenu. Zdá sa, že okrem skvelého nápadu potrebovali aj dobrú životosprávu.

Prečo je neutrína tak ťažké zachytiť? Vo vesmíre poznáme 4 rôzne sily: gravitačnú, elektromagnetickú a silnú a slabú jadrovú. Gravitačná sila je pre ľahké častice zanedbateľná a úlohu zohráva až na kozmických škálach. Aj ďalšie sily ostávajú niekedy bokom – niektoré častice časť z nich jednoducho ignorujú. Neutróny napríklad necítia elektromagnetickú silu, elektróny zas silnú jadrovú. No a potvory neutrína cítia iba tú slabú, a ako napovedá jej meno, je naozaj slabá. Preto, ak chceme zachytiť aspoň 1 neutríno ročne, potrebujeme tony záchytného materiálu.

Zdrojom neutrín, ktoré lietajú okolo, či skôr cez nás, sú jadrové procesy – napríklad v atómových elektrárňach, zemskom vnútri, ale najmä na Slnku. A práve slnečné neutrína stáli za ďalšou záhadou. Zdalo sa, že ich prilieta menej, ako by malo.

Vysvetlenie je v zásade triviálne: podobne ako ďalšie častice, aj neutrína existujú v 3 kópiách rôznej hmotnosti, ktoré môžu medzi sebou oscilovať. Je to akoby sme vyrazili modrým autom z Bratislavy do Košíc, no pri Trnave si všimneme, že auto chytá červený odtieň a pri Trenčíne už je celé červené. V Žiline je však znovu modré a kým dôjdeme do Košíc, cyklus sa znovu zopakuje.

Rovnaké je to s neutrínami – zo Slnka vyletí elektrónové, počas letu sa ale postupne začne meniť na tzv. miónové. Pokusy merali iba tie elektrónové, preto sme mali pocit, že nám niečo chýba.

Dnešné neutrínové experimenty sú kvôli množstvu záchytného materiálu poriadne veľké. Časť experimentov stojí na poznaní, že beta premena zmení atómové číslo o 1, čiže atóm sa v Mendelejevovej tabuľke posunie o jedno miesto. Pri pokusoch naplnia obrovskú nádrž chlórom (ktorý ma 17 protónov) a po istej dobe sa pozrú, koľko sa v ňom objavilo argónu (ktorý má 18 protónov). Označiť to za mravenčiu prácu pre Popolušku by bolo značným podcenením situácie.

Druhá časť experimentov nadväzuje na prvé pokusy, ktoré sa sústredili na pozorovanie svetelných zábleskov. Vedci naplnia obrovskú nádrž vodou a na steny umiestnia fotodetektory. Aby experiment nenarúšali iné častice, musí byť dobre odtienený – najlepšie hlboko pod zemou. Napríklad Super-Kamiokande experiment leží kilometer pod zemou v bývalej bani, je naplnený 50 000 tonami superčistej vody a na stenách má vyše 11 000 fotonásobičov. IceCube, asi najkrajší neutrínový experiment, využíva prírodné zdroje – do ľadu v Antarktíde sú až do hĺbky 2,5 km navŕtané fotodetektory, ktoré snímajú záblesky z jadrových reakcií vyvolané neutrínami.

Vďaka čoraz dokonalejším experimentom dokážeme zachytiť stále viac neutrín, čo nám otvára nové možnosti použitia – od detekcie testov jadrových bômb až po neutrínovú astronómiu.

História neutrín je plná rozlúštených záhad, no mnohé stoja stále pred nami. Medzi nimi kraľuje otázka, aké ťažké neutrína vlastne sú. Hľadanie odpovede je náročné, keďže ich interakcia s bežnou hmotou je veľmi slabá. Má to ale aj svetlú stránku – nemusíme sa ich báť.

Poznámky pod čiarou:

•  Pri beta rozpade skutočne vznikajú antineutrína, prakticky je to jedno.
•  Oscilácia neutrín prebehne prevažne už v Slnku, volá sa to MSW efekt.
•  Obrázok v úvode pochádza zo stránky Tomasza Barszczaka a zobrazuje Cherenkovovo žiarenie. Takto detektor vidí dôsledky neutrín.
•  Obrázok Slnka nie je obrázok, ale fotka erupcie z roku 2012.
•  Ostatné fotky pochádzajú z wikipédie a tejto stránky.

Doplnenie : Za objav oscilácie neutrín bola udelená Nobelova cena za fyziku v roku 2015. Zoznam všetkých Nobelových cien za fyziku neutrín

        1988: Leon M. Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger

„for the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino“

       1995: Frederick Reines

„for the detection of the neutrino“

        2002: Raymond Davis Jr. a Masatoshi Koshiba

„for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos“

        2015: Takaaki Kajita a Arthur B. McDonald

„for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass“