Neutrino a lepton tau

Letošní nejprestižnější cena za fyziku byla udělena dvěma americkým vědcům za průkopnické experimenty ve fyzice leptonů, a to sedmasedmdesátiletému Fredericku Reinesovi z Kalifornské univerzity „za detekci neutrina“ (r. 1956) a osmašedesátiletému Martinovi R. Perlovi ze Standfordovy univerzity „za objev leptonu tau“ (r. 1974). Teprve po mnoha letech byl tedy oceněn první experimentální důkaz o tom, že dvě elementární částice, které podstatně přispěly k představě, z čeho a jak je sestaven celý vesmír, skutečně existují.

Jaký problém vyřešila neutrina?

Zastavme se nejdříve u první pozoruhodné částice, u neutrina, které, jak říká Maurice Goldhaber, „podněcuje odvahu v teoreticích a vytrvalost v experimentátorech“. Neutrino se totiž zrodilo začátkem třicátých let v mysli znamenitého teoretického fyzika Wolfganga Pauliho jako čistě hypotetická částice, která, pokud existuje, jednoduše vysvětlí a vyřeší hlavní problém jaderné fyziky té doby (viz rovněž Vesmír 73, 65, 1994/2). Avšak od zrodu nápadu k jeho experimentálnímu potvrzení uběhlo čtvrt století.

Proč to tak dlouho trvalo? Začátkem našeho století fyzikové objevili různé radioaktivní rozpady atomových jader a ty pak začali horečně studovat. Záhy si uvědomili, že radioaktivní rozpady jader vlastně představují uskutečnění snu alchymistů – přeměny chemických prvků. Např. v tzv. beta-rozpadu jádra se původní jádro přemění na jádro nové, které je v Mendělejevově tabulce od výchozího jádra o jedno místo vpravo.

Přeměna je navíc provázena emisí elektronu. Fyzikové se proto domnívali, že beta-rozpad jádra není ničím jiným než přeměnou neutronu v původním jádře na proton v jádře novém a elektron. Ze zákona zachování energie a hybnosti pak očekávali, že jak nové jádro, tak elektron budou mít určitou, diskrétní (přetržitou) energii a hybnost. Avšak J. Chadwick, Ch. Ellis, W. Wooster a další ve svých experimentech pozorovali, že elektrony vzniklé v rozpadech beta nemají energii a rychlost vždy stejnou, ale naopak pokaždé jinou, a to spojitě se měnící od nulové až po jistou, maximální. Slavný dánský fyzik Niels Bohr, jeden ze zakladatelů kvantové teorie, proto navrhl zkoumat možnost, že v beta-rozpadech jader neplatí zákon zachování energie a hybnosti.

Jiné, elegantní, a přitom konzervativnější řešení navrhl Wolfgang Pauli: Při beta-rozpadu jádra se nemění neutron pouze na proton a elektron, ale ještě na další částici, kterou však nedetektujeme.

Ta se s elektronem a zbylým jádrem různě podělí o energii a hybnost, jež jsou při rozpadu k dispozici, a to přesně podle zákona zachování a v souladu s pozorováním. Nová částice musí být subtilní a elektricky neutrální, jakýsi „neutronek“. Proto ji Enrico Fermi po italsku nazval neutrino. Přesněji řečeno, při beta-rozpadu jádra nevzniká elektronové neutrino, nýbrž elektronové antineutrino (viz obrázek). Zbylo jen dokázat, že tato Pauliho hypotetická částice skutečně existuje. Výpočty Hanse Betheho a Rudolfa Peierlse však záhy ukázaly, že to nebude snadné. Neutrino totiž s jinými částicemi téměř neinteraguje. Je schopno bez jediné interakce projít nejen celou zeměkoulí, ale dokonce stěnou miliardkrát tlustší! Jak je tedy možné, že Fred Reines se svým spolupracovníkem Clydem Cowanem neutrino nakonec detektovali?

Pouze díky tomu, že vtipně využili dvě věci, které podstatně zvýšily vyhlídky detektovat neutrina: především o mnoho řádů intenzivnější zdroj neutrin, než kterým byly radioaktivní rozpady jader, a za druhé co nejobjemnější a chytře upravený detektor, který umožňoval odlišit hledané, řídce se vyskytující procesy od častějších, které je simulovaly. Jako zdroj neutrin použili jaderný reaktor – Fermiho vynález z r. 1942, který produkoval za vteřinu až 10 bilionů neutrin na cm² – a jako detektor scintilační kapalný čítač, který obsahoval asi 400 l vody obohacené o chlorid kademnatý CdCl₂. Tento detektor registroval vzácné srážky reaktorových antineutrin s protony (jádry vodíku) ve scintilačním kapalném detektoru tím, že registroval obě částice vzniklé pří srážce, tj. pozitron a neutron (viz obrázek).

Pozitron ani neutron však nelze detektovat přímo, ale je třeba využít fotony, které vzniknou anihilací pozitronu a záchytem neutronu na jádře Cd uvnitř detektoru – fotony, které jsou emitovány s jistým charakteristickým zpožděním. Přitom fotony vzniklé záchytem neutronu na jádře Cd jsou emitovány o miliontinu vteřiny později než fotony vzniklé při anihilaci pozitronu. Tento trik umožnil nejen velmi zřídka se vyskytující reakci antineutrina s protonem detektovat, ale i bezpečně ji odlišit od častějších reakcí, které ji simulují a tvoři v detektoru silné pozadí. Tak se nakonec r. 1956 na jaderném reaktoru v Savannah River Fredu Reinesovi a Clydu Cowanovi poprvé podařilo průkazně detektovat takřka nedetektovatelná neutrina.

A jak to bylo s leptonem tau?

Zájem o tuto druhou pozoruhodnou částici nastal mnohem později – až koncem 60. let. V té době si fyzikové představovali, že veškerý vesmír je sestaven z několika navzájem si podobných čtveřic elementárních částic – tzv. rodin částic (viz tab. I). Přitom každá rodina se skládala ze dvou kvarků a dvou leptonů (viz popiska tabulky II). Nevědělo se však, zda dvě rodiny částic známé v té době vyčerpávají veškerou rozmanitost stavebních kamenů materie či nikoliv. A tak tau měla být první nejsnáze zjistitelnou částicí, která by signalizovala existenci další, třetí rodiny částic. Proto byla pojmenována podle prvního písmene v řeckém slově triton (třetí).

Nejdříve se tato částice hledala v produktech rozpadů kaonů ¹⁾ , a pak ve vysokoenergetických srážkách elektronů, ale bez úspěchu. Teprve r. 1973 byl ve Standfordském středisku lineárního urychlovače spuštěn SPEAR – nový srážeč vstřícných svazků pozitronů a elektronů. Ten poskytl týmu vedenému M. Perlem výjimečnou šanci, neboť lepton tau, který měl být velmi těžkou kopií elektronu, mohl být na tomto zařízení objeven až do hmotnosti desetitisíckrát větší, než má elektron. A skupina fyziků vedená Perlem tuto možnost plně využila. Ve svých experimentech v letech 1974–1977 na SPEAR ukázali, že lepton tau skutečně existuje a má hmotnost 1,77 GeV. Je tedy asi 3,5tisíckrát těžší než elektron.

Potíž s objevem této částice nespočívala pouze v její velké hmotnosti, ale i v tom, že částice tau je nestabilní a rozpadá se za 3 desetiny biliontiny vteřiny (přesněji 2,9×10^-13 s). Nemůže být proto v experimentu pozorována přímo, ale pouze prostřednictvím částic, na které se rozpadá a z nichž mnohé jsou neutrina. Výsledek analýzy jednoho možného rozpadu páru leptonů tau zachycuje obrázek

Martin Perl a jeho spolupracovnici v letech 1974–1977 podali první přesvědčivý důkaz o tom, že v přírodě existuje nejen lepton tau, ale i třetí rodina částic, která hraje hlavni roli především v nejranějších stadiích vesmíru. Dnes jsou objeveny všechny částice tvořící třetí rodinu a nedávná měření v CERN ukázala, že v přírodě už patrně další rodiny částic neexistují, takže částice ze tří rodin představuji úplný výčet stavebních kamenů materie. Současné detektory neutrin mají dnes objemy nikoliv stovek, ale desítek milionů litrů. Mohou proto úspěšněji detektovat neutrina a zachycovat jejich autentické výpovědi o dějích uvnitř Slunce a hvězd či při výbuších supernov, při kterých vznikají a ze kterých k nám jako očití svědkové přicházejí.