Záhada 17 keV neutrina vyřešena

Ve vědě se občas stane, že výsledek měření je v naprostém rozporu s teoretickou předpovědí. Taková situace je neuspokojivá jen zdánlivě; ve skutečnosti stimuluje jak vývoj experimentálních metod, tak i rozvoj teorie.

Rozpor v jaderném rozpadu ß

Připomeňme si například problém platnosti zákona záchování energie v radioaktivním rozpadu ß. Zpočátku se fyzikové domnívali, že při tomto rozpadu vyletují z mateřského atomového jádra pouze částice ß, které mají všechny stejnou energii. Očekávali tedy, že jejich energetické spektrum bude čárové. Již první spektrum záření ß radionuklidu ²¹⁰Bi, které změřil r. 1914 pozdější objevitel neutronů J. Chadwick, však bylo spojité!

Situaci se pokusil vyřešit r. 1930 tehdy třicetiletý budoucí nositel Nobelovy ceny Wolfgang Pauli odvážným předpokladem, že v jaderném rozpadu ß je kromě elektronu emitována ještě další elementární částice - neutrino.

Z toho, že experimentátoři neutrino nepozorovali již dříve, Pauli usoudil, že tato částice bude s prostředím interagovat ještě méně než záření gama. Předpokládal proto, že detekce neutrin bude svízelná. O svém návrhu na řešení záhady rozpadu ß napsal W. Pauli 4. prosince 1930 skromný a vtipný dopis účastníkům semináře o radioaktivitě v německém Tübingenu. Údajně prohlásil:

„Dnes jsem udělal něco, co by teoretik neměl v životě nikdy udělat. Pokusil jsem se nevysvětlitelné objasnit nepozorovatelným.“

První teorii rozpadu ß zahrnující Pauliho neutrino vypracoval již r. 1934 další budoucí nositel Nobelovy ceny E. Fermi. Souhlas jeho teorie s experimentem byl považován za nepřímý důkaz existence neutrina. Trvalo však čtvrt století, než se podařilo dokázat, že neutrina skutečně existují.

Zasloužili se o to američtí fyzikové F. Reines a C. L. Cowan, kteří r. 1956 jednoznačně pozorovali jadernou reakci, jež by bez neutrin probíhat nemohla. Šlo o obtížný experiment využívající jaderný reaktor a detektor částic s mimořádně vysokou účinností.

Potvrdilo se, že pravděpodobnost interakce neutrin s prostředím je zhruba o 20 řádů menší než v reakcích s obvyklými částicemi. Zatímco k úplnému pohlcení částic ß stačí absorbátor o tloušťce několika milimetrů, projde naprostá většina neutrin napříč zeměkoulí bez jakékoliv interakce.

Proč dosud neznáme klidovou hmotnost neutrina?

Jednou ze základních vlastností každé elementární částice je její klidová hmotnost, zpravidla změřená s vysokou přesností. O stanovení klidové hmotnosti neutrina m_ν však usiluje již třetí generace fyziků.

Přesto zatím známe jen její horní hranici, která se zlepšuje se zdokonalováním experimentálních metod. Měření tvaru spekter ß přitom představuje nejcitlivější přímou metodu. Obtížnost úlohy demonstrují dlouhé časové intervaly nezbytné k výraznému zlepšení výsledku: r. 1949 bylo m_ν menší než 1000 eV/c², r. 1972 menší než 60 eV/c². (Hmotnost zde vyjadřujeme způsobem obvyklým v jaderné a subjaderné fyzice, s využitím Einsteinova vztahu E = mc².)

Ani teoretičtí fyzikové zatím nedokázali klidovou hmotnost neutrina vypočítat. Vybudovali vynikající model sjednocující slabé a elektromagnetické interakce, který připouští nulovou hodnotu m_ν, ale není znám žádný obecný fyzikální princip, jenž by to vyžadoval.

V tomto článku hovoříme o elektronových neutrinech a pro jednoduchost nerozlišujeme mezi neutriny a antineutriny, jejichž klidová hmotnost má být stejná. Fyzikové objevili ještě další neutrina, ale o jejich klidové hmotnosti vědí ještě méně.

Mohutnými zdroji neutrin jsou nejen jaderné reaktory a urychlovače nabitých částic, ale i Slunce. Byla dokonce registrována neutrina vzniklá při výbuchu supernovy SN1987A. Měřením neutrin z těchto zdrojů se podařilo získat cenné informace pro fyziku částic i astrofyziku, ale hodnota klidové hmotnosti m_ν stanovena nebyla.

Těžké neutrino objeveno?

V roce 1985 publikoval J. J. Simpson z kanadského Quelphu vzrušující zprávu¹⁾, že ve spektru ß nejtěžšího izotopu ³H (tritia) nalezl odchylku svědčící o existenci těžkého neutrina s klidovou hmotností 17 keV/c² (viz obrázek).

Experimentátoři na tuto zprávu reagovali sérií kontrolních měření a teoretici intenzivně zkoumali, jaké důsledky by 17 keV neutrino mělo v různých oblastech fyziky.

Rozporné výsledky nových měření

V roce 1991 oznámili A. Hime a n. A. Jelley ²⁾ z univerzity v anglickém Oxfordu, že ve spektru ß izotopu ³⁵S nalezli odchylku svědčící o 0,84% příměsi 17 keV neutrina. V témže roce získali američtí fyzikové pod vedením E. B. Normana podobný výsledek ze spektra ß izotopu ¹⁴C. To bylo důležité, protože těžké neutrino (pokud skutečně v přírodě existuje) by se mělo projevit ve všech rozpadech ß, v nichž je to energeticky možné.

Tyto výsledky iniciovaly další měření. Vznikla však podivná situace: kladné výsledky byly získány pouze na spektrometrech jednoho typu. Nový fyzikální jev však lze považovat za prokázaný jen tehdy, je-li jeho měření reprodukovatelné a výsledek nezávisí na typu přístroje či místě laboratoře.

Hlavní viník: elektronový rozptyl

Tento neuspokojivý stav se začal vyjasňovat až r. 1993, kdy byly publikovány jak nové výsledky experimentů, tak i důkladnější analýza oxfordského měření radionuklidu ³⁵S. Ukázalo se, že efekt připsaný v tomto experimentu 17 keV neutrinu byl způsoben z velké části rozptylem elektronů v různých místech spektrometru. Při rozptylu totiž dochází k energetickým ztrátám elektronů a tím ke zkreslení tvaru spektra ß.

Američtí a němečtí fyzikové provedli nedávno kontrolní experimenty s přístroji nového typu, v nichž k nežádoucímu rozptylu elektronů nedochází. Jejich spektra ß nevykazují žádné stopy po 17 keV neutrinu.

Další viník: elektronická chyba

E. B. Norman se spolupracovníky pokračovali v měřeních spektra ß izotopu ¹⁴C a stále v něm nacházeli odchylku odpovídající asi 1% příměsi 17 keV neutrina. Provedli proto ještě nezávislé měření spektra vnitřního brzdného záření ⁵⁵Fe, tedy fotonového záření, které v použitých detektorech vyvolává jiné procesy než záření ß.

Žádné stopy po 17 keV neutrinu nenašli. Usoudili proto, že odchylka, kterou ve spektru ß izotopu ¹⁴C pozorují, není způsobena 17 keV neutrinem. Při dalším zdokonalování jejich spektrometru ß se zcela nedávno ukázalo, že šlo o elektronickou závadu.

Nejdůležitější experimenty svědčící o 1% příměsi 17 keV neutrina v rozpadu ß tak byly vysvětleny jinými, prozaičtějšími příčinami.

Experiment s nejvyšší citlivostí

Provedli jej v roce 1993 japonští fyzikové³⁾ s magnetickým spektrometrem, v jehož ohniskové rovině umístili 30 nezávislých detektorů. Získali spektrum ß radionuklidu ⁶³Ni s obrovskou statistikou. Při jeho analýze nenašli žádné údaje ve prospěch 17 keV neutrina (viz obrázek). Pro horní hranici možné příměsi této hypotetické částice v rozpadu ß určili dosud nejnižší hodnotu 0,073 %. Tento výsledek je v naprostém rozporu s dřívějšími experimenty uvádějícími příměs 17 keV neutrina blízkou 1 %.

Titíž fyzikové navíc hledali ve spektru ß izotopu ⁶³Ni i jiná neutrina s klidovou hmotností mezi 10,5 až 25 keV/c², ale žádná nenašli. Pokud taková těžká neutrina v přírodě existují, je podle zmíněného experimentu jejich příměs k obvyklým lehkým neutrinům menší než 0,15 %.

Hmotná neutrina: ano, či ne?

V současné době nemáme žádný nesporný důkaz o existenci neutrin s nenulovou klidovou hmotností. Platí to nejen pro Simpsonovo 17 keV neutrino, ale i lehké neutrino s hmotností menší než 7,2 eV/c². Na základě měření tvaru spektra ß tritia udávali moskevští fyzikové v letech 1980 - 1987, že lehké neutrino má hmotnost nenulovou, a to mezi 14 a 46 eV/c². Žádný z experimentů ostatních laboratoří však tento výsledek nepotvrdil.

Nemůžeme ovšem tvrdit, že hmotná neutrina v přírodě neexistují jen proto, že jsme je svými přístroji dosud nezaznamenali. Fyzikové, jejichž závěry o hmotných neutrinech se nepotvrdily, nejsou zavrženi. Jejich snaha a odvaha stimulovaly rychlejší rozvoj experimentálních metod. Je třeba mít na paměti, že většinu fyzikálních procesů známe jen s určitou přesností a při jejich popisu se nevyhneme mnoha zjednodušením. Při hledání nepatrné příměsi těžkých neutrin ve spektrech záření ß vzniká potřeba prozkoumat řadu efektů, které jaderní fyzikové dříve zanedbávali.

Příkladem dosud nevysvětlitených jevů ve spektrech ß je odchylka experimentu od teorie při energii elektronů nižší než 1,5 keV. Zjistil ji zcela nedávno americký fyzik W. Stoeffl se spolupracovníky při měření spektra ß plynného tritia magnetickým spektrometrem, tedfy v podmínkách blízkých k ideálním. Zatím není jasné, jaký jaderný, atomový či molekulární efekt by takovou odchylku mohl způsobit.

V Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži je elektrostatický spektrometr, který měří s vysokým rozlišením i elektrony emitované z radioaktivních vzorků s nepatrnou kinetickou energií (viz obrázek). Naše zkušenosti při výzkumu jaderně-atomových jevů se uplatní i při pátrání po hmotných neturinech na vyšší úrovni. Naše výpočty elektronových vlnových funkcí i energetických ztrát elektronů se již setkaly s ohlasem v zahraničních laboratořích. Ve spolupráci s nimi se i čeští fyzikové mohou podílet na řešení jedně ze základních úloh současné fyziky ⁴⁾.