Nobelovu cenu za fyziku v roce 2015 získali Japonec Takaaki Kadžita a Kanaďan Arthur B. McDonald. Zásadně se podíleli na objevu neutrinových oscilací, které ukazují, že neutrina mají nenulovou hmotnost. Tím vyřešili neutrinovou hádanku a otevřeli novou oblast v částicové fyziky.

Svět, ve kterém žijeme, je svět neutrin. Každou sekundu našeho života nám jich tělem prolétnou miliardy. Většina z nich pochází z jádra Slunce, ale najdou se i tuláci, kteří se uvolnili při Velkém třesku či výbuchu nějaké vzdálené supernovy. Dokonce i my sami jsme každou sekundu zdrojem asi 5000 neutrin, uvolňujících se nerušeně při rozpadu izotopu draslíku. Všechna tato mračna částic prolétnou naším tělem rychlostí světla, netečně protnou Zemi (případně v obráceném pořadí) a pokračují na své cestě vesmírem spolu s kvanty svých sourozenců, s nimiž tvoří nejpočetnější známé částice vesmíru.

Rozhodující kamínek do skládačky přinesl experiment, který se zrodil na druhé straně zeměkoule.

Ačkoliv neutrina existují takřka od počátku vesmíru, poprvé s nimi přišel v prosinci 1930 rakouský fyzik Wolfgang Pauli (laureát Nobelovy ceny v roce 1945). Svým kolegům tehdy poslal slavný dopis, v němž za oslovením „Vážené radioaktivní dámy a pánové!“ navrhoval vyřešit tehdejší problém „ztracené“ energie v jednom druhu radioaktivního rozpadu jádra (beta rozpadu) tím, že uvažoval o existenci velmi lehkých a elektricky neutrálních částic (Enrico Fermi je později pojmenoval neutrina). Nikdo z adresátů nemohl předpokládat, že je svědkem plíživého počátku revoluce jak částicové fyziky, tak kosmologie. Ale jak to tak bývá, ještě řadu let vědci v existenci tak podivných částic hmoty odmítali uvěřit.

Detektory observatoře Super-Kamiokande (CC BY-NC 2.0)

Detektory observatoře Super-Kamiokande (CC BY-NC 2.0).

Zlobivá neutrina

Změnu přinesl až počátek 50. let, kdy po světě začaly jako houby po dešti růst jaderné reaktory, kolem nichž se prostor zaplnil neutriny z nich vyletujícími. V červnu 1956 dostal Pauli telegram. Jeho odesílatelé, američtí fyzici Frederick Reines (laureát Nobelovy ceny v roce 1995) a Clyde Cowan mu v něm oznámili svůj objev částice, kterou předpověděl. Tou chvílí vědecký svět našel vrátka do zcela nečekaného světa, ale plně je otevřít, to se podařilo až s objevem, za který dostali Nobelovu cenu letošní laureáti.

Brzy se ukázalo, že neutrina „zlobí“. Roku 1960 vědci teoreticky spočítali počet neutrin, která vznikají při jaderné reakci uvnitř Slunce. Jenomže když se pokusili výpočty ověřit pozorováním na Zemi, něco nesouhlasilo. Celé dvě třetiny vypočteného množství chyběly. Kam zmizely?

Bylo několik možností. Od toho, že jejich netečnost a neochota interagovat s okolní hmotou způsobuje chybu v měření, přes domněnku, že může být něco špatně na naší představě o tom, jak neutrina ve Slunci vznikají. Jedním z dalších návrhů, jak záhadu vyřešit, bylo předpokládat, že neutrina mění identitu.

Podle standardního modelu částicové fyziky jsou tři typy neutrin – elektronová, mionová a tauonová neutrina. Každé z nich má své příslušné nabité partnery: elektron a jeho dva mnohem těžší a krátkodobé příbuzné – mion a tauon. Uvnitř Slunce vznikají pouze elektronová neutrina. Ale pokud by se cestou k Zemi „převlékla“ na mionová neutrina nebo tauonová neutrina, pak by byl deficit zachycených elektronových neutrin pochopitelný.

Potíže s detektory

Dlouhá léta zůstala tato myšlenka pouze v oblasti spekulací. Věda neměla dostatečně citlivé aparatury, kterými by ji ověřila. Představte si fotbalový stadion, na němž probíhá zápas. Jste vyzbrojeni mikrofonem a vaším úkolem je zaznamenat cinknutí brýlí, které v jednom okamžiku spadnou jednomu z trenérů na zem. Tisíce diváků ale vytvořily tak bouřlivou atmosféru, že není pořádně slyšet ani píšťalka rozhodčího, natož nenápadný zvuk brýlí dopadnuvších na trávník. V podobné situaci jsou vědci, kteří se pokoušejí zachytit signál neutrina na rušivém pozadí. S tím, jak svůj detektor (hřiště) stěhujete hlouběji a hlouběji pod zemský povrch, vytrácejí se fanoušci (rušivé interakce), ale ani kilometr či dva kilometry pod zemí se jich nezbavíte. Stále tu i ve vzduchu, který obklopuje váš detektor (i v materiálu detektoru samotném), zůstávají přirozeně se vyskytující stopové prvky, které se rozpadají a ruší měření. Vznikají miliardy rušivých signálů, které je třeba identifikovat a odečíst.

Čtěte také:  Nobelova cena za boj s malárií a parazitickými hlísticemi

První úspěch

Všechny tyto nástrahy vyřešil obří detektor s názvem Super-Kamiokande, který uvedli do provozu Japonci v roce 1996 v zinkovém dole, ležícím 250 kilometrů severozápadně od Tokia. V kilometrové hloubce pod zemským povrchem vytvořili 40 metrů vysokou a širokou nádrž, naplněnou 50 000 tun vody. Ta je tak čistá, že světelné paprsky mohou cestovat 70 metrů, než ztratí polovinu své intenzity (v běžném plaveckém bazénu je to jen pár metrů). Po celém obvodu nádrže hlídá více než 11 000 světelných detektorů s úkolem objevit, zesílit a změřit jakékoliv velmi slabé světelné záblesky, které po sobě zanechají částice, které s touto ultra-čistou vodou při svém průletu interagují. Toto takzvané Čerenkovovo záření vzniká tam, kde částice cestuje rychleji, než je rychlost světla pro dané prostředí. Neutrino se tu zbrzdí na 75 % rychlosti světla ve vakuu a může být „předjeto“ nabitými částicemi. Tvar a intenzita Čerenkovova záření odhaluje, jaký typ neutrina jej způsobil a odkud pochází.

Schéma japonského detektoru Super-Kamiokande, Ilustrace: Johan Jarnestad/ Královská Švédská Akademie věd

Schéma japonského detektoru Super-Kamiokande, Ilustrace: Johan Jarnestad/ Královská Švédská Akademie věd

Za pouhé první dva roky provozu detektoru Super-Kamiokande se podařilo identifikovat asi 5000 neutrinových signálů. To bylo více než v předchozích experimentech, ale stále výrazně méně, než se čekalo. Byla tam ale jedna anomálie, která odborníky zarazila. Super-Kamiokande zachytával mionová neutrina, která vznikají při srážce kosmického záření s atmosférou přímo nad místem, kde je detektorová stanice, a porovnával je s neutriny, která po srážce s atmosférou pronikla k detektoru po předchozím průletu celou zeměkoulí. Vzhledem k tomu, že Země pro neutrina nepředstavuje žádnou vážnou překážku, měl by být počet neutrin v obou signálech stejný. Ale nebyl. Mionová neutrina, která přišla rovnou do Super-Kamiokande, byla početnější než ta, která se prodrala Zemí. To poprvé ukázalo, že mionovým neutrinům krátký čas cesty nitrem zeměkoule stačil na změnu identity (odborně se říká také vůně či chcete-li oscilace mezi dvěma stavy). Mionová neutrina, která přišla přímo shora a urazila pouze několik desítek kilometrů, to nestihla.

Poslední kamínek

Rozhodující kamínek do skládačky přinesl experiment, který se zrodil na druhé straně zeměkoule, v niklovém dolu v kanadském Ontariu. V roce 1999 tam svůj detektor pro sledování neutrin přicházejících ze Slunce postavila Sadburská neutrinová observatoř (SNO). Jejích 9522 vysoce citlivých světelných čidel, umístěných v hloubce 2 km pod povrchem, nepřetržitě monitoruje gigantickou nádrž o průměru 18 m, naplněnou 1000 tunami těžké vody. Ta se od běžné vody odlišuje tím, že každý atom vodíku v molekule vody má ve svém jádru kromě jednoho protonu také jeden neutron.

Schéma kanadského detektoru Sudburská neutrinová observatoř (SNO), Ilustrace: Johan Jarnestad/ Královská Švédská Akademie věd

Schéma kanadského detektoru Sudburská neutrinová observatoř (SNO), Ilustrace: Johan Jarnestad/ Královská Švédská Akademie věd

Toto konstrukční řešení vědcům mimo jiné dovoluje jak měření elektronových neutrin, přicházejících ze Slunce, tak měření množství všech tří typů neutrin společně, aniž by je od sebe navzájem odlišovali. Pokud by detektor naměřil jinou hodnotu pro elektronová neutrina a jinou pro všechna neutrina dohromady, znamenalo by to, že se cestou ze Slunce (kde, jak víme, vznikají pouze elektronová neutrina) stačila proměnit.

Sudburská neutrinová observatoř (SNO) se nachází v Kanadě, v hloubce 2 km pod povrchem. Foto: Lawrence Berkeley Nat'l Lab - Roy Kaltschmidt, licence (CC BY-NC-ND 2.0)

Sudburská neutrinová observatoř (SNO) se nachází v Kanadě, v hloubce 2 km pod povrchem. Foto: Lawrence Berkeley Nat’l Lab – Roy Kaltschmidt (licence CC BY-NC-ND 2.0).

Ze všech 60 miliard neutrin, která dopadají každou sekundu na centimetr čtvereční zemského povrchu, je jich polovina přímo ze Slunce. I přes tak gigantické množství se observatoři SNO dařilo zachytit jen tři za den. Za dva roky provozu měli fyzikové dost dat, aby prohlásili, že to je pouhá třetina předpokládaného počtu elektronových neutrin, která by měla být v detektoru teoreticky ulovena. Dvě třetiny neutrin zmizely. Když se však spočítaly interakce všech tří typů neutrin dohromady, hodnota přesně odpovídala očekáváním. Závěr byl jasný – elektronová neutrina během 150 milionů kilometrů dlouhé cesty ze Slunce musejí měnit identitu. A pokud ji mění, znamená to, že nemohou mít nulovou hmotnost. Pokud by ji totiž neutrina měla, k ničemu takovému by nemohlo dojít. To bylo obrovské překvapení.

Oba experimenty tak potvrdily podezření, že neutrina mohou měnit identitu a vedly k dalekosáhlému závěru, že neutrina, která byla po dlouhou považována za nehmotná, musejí mít nějakou hmotnost, jakkoli velmi malou. Velká cesta ale vlastně teprve začíná. Nevíme kupříkladu jakou hmotnost přesně jednotlivá neutrina mají. Netušíme ani k čemu by nám to mohlo být dobré. Víme jen, že jsme na prahu místnosti fyziky, do níž jsme jen letmo nahlédli klíčovou dírkou. Zatím je jasné jen tolik: 1) Objev uspíšil mnoho nových experimentů a přinutil částicové fyziky přemýšlet novým způsobem. 2) Rozhodující roli na těchto výzkumech měli vůdčí vědecké osobnosti obou týmů a Nobelovými cenami právě ocenění fyzikové: Japonec Takaaki Kadžita (Super-Kamiokande) a Kanaďan Arthur B. McDonald (Sadburská neutrinová observatoř – SNO).

 

Titulní snímek: Srážka neutrina s energií 1063 MeV s protonem produkuje mion s energií 1032 MeV. Zdroj: Detektor Super-Kamiokande.

Print Friendly