Neutríno je elementárna častica, ktorá je veľmi podobná elektrónu, ale nemá elektrický náboj. Má veľmi malú hmotnosť, ktorá môže byť dokonca nulová. Rýchlosť neutrína závisí aj od hmotnosti. Rozdiel v čase príchodu častice a svetla je 0,0006 % (± 0,0012 %). V roku 2011 sa počas experimentu OPERA zistilo, že rýchlosť neutrín presahuje rýchlosť svetla, nezávislá skúsenosť to však nepotvrdila.
Nepolapiteľná častica
Toto je jedna z najbežnejších častíc vo vesmíre. Keďže veľmi málo interaguje s hmotou, je neuveriteľne ťažké ju odhaliť. Elektróny a neutrína sa nezúčastňujú silných jadrových interakcií, ale rovnakou mierou sa podieľajú na slabých. Častice s týmito vlastnosťami sa nazývajú leptóny. Okrem elektrónu (a jeho antičastice pozitrónu) nabité leptóny zahŕňajú mión (200 elektrónových hmotností), tau (3500 elektrónových hmotností) a ich antičastice. Nazývajú sa tak: elektrón-, mión- a tau-neutrína. Každý z nich má anti-materiálovú zložku nazývanú antineutríno.
Muón a tau, podobne ako elektrón, sprevádzajú častice. Sú to miónové a tau neutrína. Tieto tri typy častíc sa navzájom líšia. Napríklad, keď miónové neutrína interagujú s cieľom, vždy produkujú mióny, nikdy nie tau alebo elektróny. Pri interakcii častíc, aj keď môžu byť elektróny a elektrón-neutrína vytvorené a zničené, ich súčet zostáva nezmenený. Táto skutočnosť vedie k rozdeleniu leptónov na tri typy, z ktorých každý má nabitý leptón a sprievodné neutríno.
Na detekciu tejto častice sú potrebné veľmi veľké a mimoriadne citlivé detektory. Nízkoenergetické neutrína zvyčajne precestujú mnoho svetelných rokov, kým začnú interagovať s hmotou. V dôsledku toho sa všetky pozemné experimenty s nimi spoliehajú na meranie ich malej frakcie v interakcii so záznamníkmi primeranej veľkosti. Napríklad v Sudbury Neutrino Observatory, ktoré obsahuje 1000 ton ťažkej vody, prejde detektorom asi 1012 slnečných neutrín za sekundu. A nájde sa len 30 denne.
História objavov
Wolfgang Pauli prvýkrát predpokladal existenciu častice v roku 1930. V tom čase vznikol problém, pretože sa zdalo, že energia a moment hybnosti sa pri beta rozpade nezachovávajú. Pauli však poznamenal, že ak dôjde k vyžarovaniu neinteragujúcej neutrálnej častice neutrín, bude dodržaný zákon zachovania energie. Taliansky fyzik Enrico Fermi vyvinul teóriu beta rozpadu v roku 1934 a dal častici jej meno.
Napriek všetkým predpovediam nebolo možné 20 rokov experimentálne detegovať neutrína kvôli ich slabej interakcii s hmotou. Keďže častice nie sú elektrickynabité, nie sú ovplyvnené elektromagnetickými silami, a preto nespôsobujú ionizáciu hmoty. Okrem toho reagujú s hmotou len prostredníctvom slabých interakcií zanedbateľnej sily. Preto sú to najprenikavejšie subatomárne častice, schopné prejsť cez obrovské množstvo atómov bez toho, aby spôsobili akúkoľvek reakciu. Iba 1 z 10 miliárd týchto častíc, ktoré cestujú hmotou na vzdialenosť rovnajúcu sa priemeru Zeme, reaguje s protónom alebo neutrónom.
Konečne v roku 1956 skupina amerických fyzikov vedená Frederickom Reinesom oznámila objav elektrón-antineutrína. V jej experimentoch antineutrína emitované z jadrového reaktora interagovali s protónmi za vzniku neutrónov a pozitrónov. Jedinečné (a vzácne) energetické podpisy týchto najnovších vedľajších produktov poskytujú dôkaz o existencii častice.
Objav nabitých miónových leptónov sa stal východiskom pre následnú identifikáciu druhého typu neutrína - miónu. Ich identifikácia sa uskutočnila v roku 1962 na základe výsledkov experimentu v urýchľovači častíc. Vysokoenergetické miónové neutrína boli produkované rozpadom pi-mezónov a poslané do detektora takým spôsobom, aby bolo možné študovať ich reakcie s hmotou. Hoci sú nereaktívne, podobne ako iné typy týchto častíc, zistilo sa, že v zriedkavých prípadoch, keď reagujú s protónmi alebo neutrónmi, miónové neutrína vytvárajú mióny, ale nikdy nie elektróny. V roku 1998 americkí fyzici Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinbergerdostal Nobelovu cenu za fyziku za identifikáciu miónového neutrína.
V polovici 70. rokov bola fyzika neutrín doplnená o ďalší typ nabitých leptónov - tau. Ukázalo sa, že tau neutrino a tau antineutrino sú spojené s týmto tretím nabitým leptónom. V roku 2000 fyzici v Národnom laboratóriu urýchľovačov. Enrico Fermi oznámil prvý experimentálny dôkaz existencie tohto typu častíc.
Mass
Všetky typy neutrín majú hmotnosť, ktorá je oveľa menšia ako hmotnosť ich nabitých náprotivkov. Experimenty napríklad ukazujú, že hmotnosť elektrón-neutrína musí byť menšia ako 0,002 % hmotnosti elektrónu a že súčet hmotností týchto troch druhov musí byť menší ako 0,48 eV. Dlhé roky sa zdalo, že hmotnosť častice je nulová, hoci neexistovali žiadne presvedčivé teoretické dôkazy, prečo by to tak malo byť. Potom, v roku 2002, Sudbury Neutrino Observatory poskytlo prvý priamy dôkaz, že elektrónové neutrína emitované jadrovými reakciami v jadre Slnka sa menia, keď ním prechádzajú. Takéto "oscilácie" neutrín sú možné, ak jeden alebo viac typov častíc má malú hmotnosť. Ich štúdie interakcie kozmického žiarenia v zemskej atmosfére tiež naznačujú prítomnosť hmoty, ale na jej presnejšie určenie sú potrebné ďalšie experimenty.
Zdroje
Prirodzené zdroje neutrín sú rádioaktívne rozpady prvkov v útrobách Zeme, v ktorýchemituje sa veľký prúd nízkoenergetických elektrónov-antineutrín. Supernovy sú tiež prevažne neutrínový jav, pretože iba tieto častice môžu preniknúť do superhustého materiálu produkovaného v kolabujúcej hviezde; len malá časť energie sa premení na svetlo. Výpočty ukazujú, že asi 2 % energie Slnka tvorí energia neutrín produkovaných termonukleárnymi fúznymi reakciami. Je pravdepodobné, že väčšinu temnej hmoty vo vesmíre tvoria neutrína, ktoré vznikli počas Veľkého tresku.
Problémy fyziky
Oblasti súvisiace s neutrínami a astrofyzikou sú rôznorodé a rýchlo sa rozvíjajú. Aktuálne otázky, ktoré priťahujú veľké množstvo experimentálnych a teoretických snáh, sú nasledovné:
- Aké sú hmotnosti rôznych neutrín?
- Ako ovplyvňujú kozmológiu veľkého tresku?
- Kmitajú?
- Môžu sa neutrína jedného typu premeniť na iné, keď cestujú hmotou a priestorom?
- Sú neutrína zásadne odlišné od svojich antičastíc?
- Ako hviezdy kolabujú a vytvárajú supernovy?
- Aká je úloha neutrín v kozmológii?
Jedným z dlhodobých problémov osobitného záujmu je takzvaný problém solárnych neutrín. Tento názov odkazuje na skutočnosť, že počas niekoľkých pozemných experimentov uskutočnených za posledných 30 rokov bolo trvalo pozorovaných menej častíc, ako je potrebné na výrobu energie vyžarovanej Slnkom. Jedným z jeho možných riešení je oscilácia, t.j. transformácia elektronikyneutrína na mióny alebo tau počas cesty na Zem. Keďže je oveľa ťažšie merať miónové alebo tau neutrína s nízkou energiou, tento druh transformácie by mohol vysvetliť, prečo na Zemi nepozorujeme správny počet častíc.
Štvrtá Nobelova cena
Nobelovu cenu za fyziku za rok 2015 získali Takaaki Kajita a Arthur McDonald za objav hmoty neutrín. Išlo už o štvrté takéto ocenenie súvisiace s experimentálnymi meraniami týchto častíc. Niektorí by sa mohli čudovať, prečo by sme sa mali tak veľmi starať o niečo, čo sotva interaguje s bežnou hmotou.
Samotná skutočnosť, že dokážeme odhaliť tieto pominuteľné častice, je dôkazom ľudskej vynaliezavosti. Keďže pravidlá kvantovej mechaniky sú pravdepodobnostné, vieme, že aj keď takmer všetky neutrína prechádzajú Zemou, niektoré z nich s ňou budú interagovať. Detektor dostatočne veľký, aby to zistil.
Prvé takéto zariadenie bolo postavené v šesťdesiatych rokoch hlboko v bani v Južnej Dakote. Baňa bola naplnená 400-tisíc litrami čistiacej kvapaliny. V priemere jedna neutrínová častica každý deň interaguje s atómom chlóru a mení ho na argón. Je neuveriteľné, že Raymond Davis, ktorý mal na starosti detektor, prišiel na spôsob, ako odhaliť týchto pár atómov argónu, a o štyri desaťročia neskôr, v roku 2002, mu bola za tento úžasný technický výkon udelená Nobelova cena.
Nová astronómia
Pretože neutrína interagujú tak slabo, môžu cestovať na veľké vzdialenosti. Dávajú nám možnosť nahliadnuť do miest, ktoré by sme inak nikdy nevideli. Neutrína objavené Davisom vznikli jadrovými reakciami, ktoré prebiehali v samom strede Slnka, a dokázali uniknúť z tohto neuveriteľne hustého a horúceho miesta len preto, že takmer neinteragujú s inou hmotou. Dokonca je možné odhaliť neutríno letiace zo stredu explodujúcej hviezdy viac ako stotisíc svetelných rokov od Zeme.
Tieto častice navyše umožňujú pozorovať vesmír vo veľmi malom meradle, oveľa menšom, než do ktorého môže nahliadnuť Veľký hadrónový urýchľovač v Ženeve, ktorý objavil Higgsov bozón. Práve z tohto dôvodu sa Nobelov výbor rozhodol udeliť Nobelovu cenu za objav ďalšieho typu neutrína.
Mysterious Missing
Keď Ray Davis pozoroval slnečné neutrína, našiel len tretinu očakávaného počtu. Väčšina fyzikov verila, že dôvodom boli slabé znalosti astrofyziky Slnka: možno modely vnútra hviezdy nadhodnotili počet neutrín, ktoré v nej vznikajú. Napriek tomu v priebehu rokov, aj keď sa solárne modely zlepšovali, nedostatok pretrvával. Fyzici upozornili na ďalšiu možnosť: problém by mohol súvisieť s naším chápaním týchto častíc. Podľa vtedy prevládajúcej teórie nemali žiadnu hmotnosť. Niektorí fyzici však tvrdili, že častice mali v skutočnosti nekonečne maléomša a táto omša bola dôvodom ich nedostatku.
Trojstranná častica
Podľa teórie oscilácií neutrín existujú v prírode tri rôzne typy neutrín. Ak má častica hmotnosť, potom sa pri pohybe môže meniť z jedného typu na druhý. Tri typy - elektrón, mión a tau - sa pri interakcii s hmotou môžu premeniť na zodpovedajúce nabité častice (elektrón, mión alebo tau leptón). K „oscilácii“dochádza v dôsledku kvantovej mechaniky. Typ neutrína nie je konštantný. Časom sa to mení. Neutríno, ktoré začalo svoju existenciu ako elektrón, sa môže zmeniť na mión a potom späť. Častica vytvorená v jadre Slnka sa teda na ceste k Zemi môže periodicky meniť na miónové neutríno a naopak. Keďže Davisov detektor dokázal detekovať iba elektrónové neutrína schopné viesť k jadrovej transmutácii chlóru na argón, zdalo sa možné, že chýbajúce neutrína sa zmenili na iné typy. (Ako sa ukázalo, neutrína oscilujú vo vnútri Slnka, nie na ceste k Zemi.)
Kanadský experiment
Jediný spôsob, ako to otestovať, bolo postaviť detektor, ktorý by fungoval pre všetky tri typy neutrín. Od 90. rokov minulého storočia viedol Arthur McDonald z Queen's Ontario University tím, ktorý to urobil v bani v Sudbury v Ontáriu. Zariadenie obsahovalo tony ťažkej vody zapožičané od kanadskej vlády. Ťažká voda je vzácna, ale prirodzene sa vyskytujúca forma vody, v ktorej vodík, obsahujúci jeden protón,nahradený jeho ťažším izotopom deutériom, ktorý obsahuje protón a neutrón. Kanadská vláda skladovala ťažkú vodu, pretože sa používa ako chladivo v jadrových reaktoroch. Všetky tri typy neutrín mohli zničiť deutérium za vzniku protónu a neutrónu a neutróny sa potom spočítali. Detektor zaregistroval asi trojnásobný počet častíc v porovnaní s Davisom – presne toľko, koľko predpovedali najlepšie modely Slnka. To naznačuje, že elektrónové neutríno by mohlo oscilovať do iných typov.
Japonský experiment
Približne v rovnakom čase robil Takaaki Kajita z Tokijskej univerzity ďalší pozoruhodný experiment. Detektor inštalovaný v bani v Japonsku zaregistroval neutrína pochádzajúce nie z útrob Slnka, ale z vyšších vrstiev atmosféry. Keď sa protóny kozmického žiarenia zrazia s atmosférou, vytvárajú sa spŕšky iných častíc vrátane miónových neutrín. V bani premenili vodíkové jadrá na mióny. Detektor Kajita mohol vidieť častice prichádzajúce v dvoch smeroch. Niektoré padali zhora, vychádzali z atmosféry, zatiaľ čo iné sa pohybovali zdola. Počet častíc bol rôzny, čo naznačovalo ich odlišnú povahu – nachádzali sa v rôznych bodoch svojich oscilačných cyklov.
Revolúcia vo vede
Je to všetko exotické a úžasné, ale prečo oscilácie a neutrínové hmoty priťahujú toľko pozornosti? Dôvod je jednoduchý. V štandardnom modeli časticovej fyziky vyvinutom za posledných päťdesiat rokov dvadsiateho storočia,ktorý správne opísal všetky ostatné pozorovania v urýchľovačoch a iných experimentoch, neutrína mali byť bez hmotnosti. Objav neutrínovej hmoty naznačuje, že niečo chýba. Štandardný model nie je úplný. Chýbajúce prvky musia byť ešte objavené, buď prostredníctvom Veľkého hadrónového urýchľovača alebo iného stroja, ktorý sa ešte len má vytvoriť.
