Zdrojom neutrín môže byť aj človek. Emitujeme stovky miliónov neutrín za deň a ani o tom nevieme.
Jeden z rádioteleskopov Deep Space Network v austrálskom meste Canberra. Zdroj: NASA
Neutrína patria k najpočetnejším vesmírnym časticiam. Nemajú vnútornú štruktúru, takmer žiadnu hmotnosť a len výnimočne interagujú s hmotou. Aj vďaka týmto vlastnostiam patria k významným poslom, ktorí dokážu niesť neskreslenú informáciu naprieč ďalekým vesmírom.
Hoci v predstavách laikov vystupujú skôr ako element zo science fiction, vo svete, kde sa ozývajú hrozby jadrovými zbraňami, by mohli v budúcnosti predstavovať dôležitú súčasť bezpečnostných mechanizmov krajín.
V záverečnej časti trojdielnej série rozhovorov o neutrínach vysvetlí pre portál VEDA NA DOSAH slovenský fyzik Fedor Šimkovic, či by mohli tieto časti absolvovať cestu čiernou dierou, aké je ich praktické využitie a či by sme sa my ľudia mohli stať detektorom ich zachytávania.
Častica s prívlastkami
Najčastejšou prezývkou neutrín sú duchovia, okrem toho aj poslovia, vesmírni ignoranti alebo superhrdinovia. Prečo ich tak označujeme?
Neutrína sú často prezývané vesmírni duchovia, pretože nemajú elektrický náboj, takmer žiadnu hmotnosť a dokážu prechádzať hmotou bez toho, aby s ňou interagovali. Každú sekundu prejde nami zhruba trilión miniatúrnych neutrín, ktoré sa zrodili pri veľkom tresku. Sú úplne neškodné a majú len minimálnu šancu, že aspoň raz počas nášho života budú interagovať s atómom v našom tele.
Ilustrácia znázorňuje neutrínové observatórium IceCube v Antarktíde. Zdroj: NASA
Ako by ste ich nazvali?
Neutrína sú najzáhadnejšie elementárne častice. Mohli by sme ich nazvať aj mysterious-ino, odvolávajúc sa na množstvo záhad spojených s nimi, alebo universe-ino, berúc do úvahy množstvo a dôležitosť neutrín vo vesmíre. Nie je však potreba ich premenovať a meniť históriu. Vhodným menom ich už pokrstil Enrico Fermi, keď ešte existovali len teoreticky v našich mysliach.
Čo majú spoločné s neutrónmi?
Existencia neutrína ako častice bez elektrického náboja a s malou hmotnosťou bola predpovedaná Wolfgangom Paulim v roku 1930. Jej prvotný názov bol neutrón. V roku 1932 však James Chadwick objavil neutrón, ktorý je spolu s protónmi komponentom atómového jadra. Samotný neutrón je rovnako ako neutríno častica, čiže bez náboja, ale so značnou hmotnosťou, porovnateľnou s hmotnosťou protónu. Tento problém bol vyriešený talianskym fyzikom Enricom Fermim, ktorý záhadnú časticu premenoval na neutrino. Výraz neutral označuje, že nenesie elektrický náboj a prípona -ino znamená v taliančine malý.
Na rozdiel od neutrónu, ktorý pozostáva z troch kvarkov nesúcich elektrický náboj, neutríno nemá vnútornú štruktúru. Podobne je to aj v prípade ostatných fundamentálnych častíc štandardného modelu fyziky častíc. Neberieme do úvahy teóriu strún, ktorá zjednocuje všeobecnú teóriu relativity a kvantovú mechaniku.
Na rozdiel od neutrín neutrón interaguje v dôsledku svojej vnútornej štruktúry aj s elektrickým poľom. Taktiež neutrón interaguje i prostredníctvom silných interakcií a vytvára viazané stavy hmoty, čo nie je prípad neutrín.
Blazary (typ aktívnej galaxie) sú zdrojom, ktorý emituje neutrína aj gama lúče. V roku 2017 bola zaznamenaná udalosť s označením IceCube-170922A. Kým neutrínové observatórium na južnom póle detegovalo neutríno, iné teleskopy na Zemi zaznamenali gama žiarenie. Zdroj: ESA
Superschopnosti neutrín
Ak sú neutrína schopné niesť neskreslenú informáciu a takmer neinteragujú s hmotou, boli by teoreticky schopné preletieť čiernou dierou?
Nie. Čierne diery sú extrémne časopriestorové štruktúry. Je to singularita ohraničená horizontom udalostí, takzvaným Schwarzschildovým polomerom. V prípade čiernych dier hviezdneho typu je to niekoľko kilometrov.
Žiadna častica pohybujúca sa rýchlosťou menšou, a to je aj prípad neutrína, keďže má nenulovú hmotnosť alebo hmotnosť rovnú rýchlosti svetla, nemôže uniknúť z vnútra horizontu udalostí. Teda ani svetlo.
V roku 2011 experiment OPERA, v ktorom boli v podzemnom laboratóriu Gran Sasso registrované zväzky neutrín, produkované urýchľovačom v CERN-e, oznámil, že neutrína sa šíria rýchlosťou väčšou ako svetlo. Detailnou previerkou bolo uvedené tvrdenie rýchlo vyvrátené. Ak by sa neutrína mohli šíriť rýchlosťou väčšou ako svetlo, mohli by uniknúť z časopriestorového väzenia čiernej diery, čo by viedlo k jej nestabilite. Objav stabilných čiernych dier danú možnosť vylučuje. Ak sú neutrína raz vnútri čiernej diery, tak sú odsúdené na zánik. Existovať môžu len v priestore mimo nej.
Spomenuli ste už detekciu neutrín pomocou hlbokomorských teleskopov. Existujú aj iné zariadenia, ktoré používame, prípadne by sme mohli v budúcnosti využívať na detekciu neutrín?
Vedecký progres je nezastaviteľný, prichádzajú nové a nové myšlienky, neznáme technológie a nakoniec celé projekty. Technológia hlbokomorských neutrínových detektorov je mimoriadne úspešná. Umožňuje ďalšie zväčšovanie detekčného objemu neutrínových teleskopov, ktorý je v súčasnosti na úrovni jedného kilometra kubického. Ambíciou navrhnutých čínskych projektov HUNT a Trident, ktoré si vzájomne konkurujú, je vytvoriť neutrínový teleskop v Juhočínskom mori s detekčným objemom približne 10 kilometrov kubických.
Neutrína extrémne vysokých energií z vesmíru pozoruje aj Pierre Auger Observatory. Ide o hybridný detektor. Pozostáva z malých, vodou naplnených detektorov s objemom 12 metrov kubických, ktoré slúžia na detekciu Čerenkovovho žiarenia, a z detektorov, ktoré registrujú ultrafialové svetlo z atmosféry. Sú umiestnené v Argentíne a vytvárajú detekčnú plochu 3000 kilometrov štvorcových. Ich primárnou úlohou je pozorovať kozmické žiarenie pomocou spŕšok častíc, ktoré vznikajú pri ich interakcii so zemskou atmosférou. Pri určitom smere dopadu danej spŕšky je možné identifikovať pôvodnú časticu, ktorá ju vytvorila, ako neutríno.
Súčasná astronómia skúma vesmír pomocou detekcie gravitačných vĺn (napr. laserový interferometer LIGO v Hanforde v USA), gama žiarenia (napr. teleskop Fermi na satelite a MAGIC teleskop na Kanárskych ostrovoch), spŕšok sekundárnych častíc od interakcie kozmického žiarenia so zemskou atmosférou (napr. Pierre Auger Observatory v Argentíne) a vysokoenergetických neutrín (napr. IceCube neutrínový teleskop v Antarktíde). Zdroj: Mészáros, P., Fox, D.B., Hanna, C. et al. Multi-messenger astrophysics. Nat Rev Phys 1, 585–599 (2019). https://doi.org/10.1038/s42254-019-0101-z
Na základe využitia takzvaného Askaryanovho efektu, ktorý opisuje produkciu rádiových vĺn v dôsledku formovania kaskád v ľade z interakcie ultravysokoenergetických neutrín, bolo navrhnuté rádiové neutrínové observatórium (RNO) na detekciu neutrín s energiami prevyšujúcimi desiatky PeV (petaelektrónvolt). Na registráciu týchto rádiových vĺn sa predpokladá rozmiestnenie skupiny antén v hĺbke najmenej 60 metrov v ľade a na jeho povrchu na ploche 100 kilometrov štvorcových. S budovaním takéhoto detektora s označením RNO-G detektor sa už začalo v Grónsku.
Astronómia viacerých poslov
Dokáže nám v súčasnosti aj nejaká iná častica odhaliť tajomstvá vesmíru rovnako ako neutríno?
Po tisíce rokov skúmalo ľudstvo vesmír hľadiac na fascinujúcu nočnú oblohu osvetlenú svetlom vyžarovaným z hviezd a iných vesmírnych javov. V priebehu minulého storočia vedci vytvorili nové obrazy nočnej oblohy využitím detekcie elektromagnetického žiarenia rôznych vlnových dĺžok, ktoré voľným okom nevidíme, ako sú rádiové vlny, infračervené žiarenie, röntgenové lúče a gama lúče. Vždy keď sa otvorilo nové okno do vesmíru, bolo to sprevádzané novým objavom, napríklad pozorovaním mikrovlnného pozadia, ktoré má pôvod vo veľkom tresku, neutrónových hviezd, aktívnych galaktických jadier, čiernych dier, vysokoenergetických zábleskov gama žiarenia a iných unikátnych vesmírnych javov.
Vedci dnes otvárajú úplne nové okná do vesmíru pomocou neutrín, namiesto fotónov. Táto nová oblasť, nazývaná neutrínová astronómia, má potenciál objaviť niečo nové a nepoznané, ako aj zodpovedať urgentné otázky astrofyziky.
Aké výhody majú neutrína v porovnaní s inými časticami?
Magnetické pole ich neohýba, keďže sú nábojovo neutrálne, a tak môžeme dostatočne presne určiť ich smer pôvodu, čo nie je prípad kozmického žiarenia. Umožňuje nám to vytvoriť nový typ mapy vesmíru. Keďže neinteragujú prostredníctvom silnej a elektromagnetickej interakcie, takmer nie sú absorbované pri prelete hmotnými objektmi, čo nám umožňuje nahliadnuť do ich astrofyzikálnych zdrojov. A to aj do veľmi vzdialených, keďže nie sú absorbované vesmírnym žiarením, prachom alebo inými kozmickými objektmi, čo nie je prípad gama žiarenia.
Informácie o neutrínach veľmi vysokých energií z centra našej Galaxie a druhých galaxií umožňujú dať ich do súvislostí s kozmickými javmi, ktorým doposiaľ nerozumieme, napríklad čo sa stáva pri zrážkach čiernych dier, neutrónových hviezd alebo celých galaxií.
Odpovede, na ktoré konkrétne otázky hľadáme pomocou neutrín?
Unikátnosť neutrín je aj v tom, že nám môžu dať odpoveď na najväčšie tajomstvá vesmíru. Prečo je vesmír tvorený hmotou a nie antihmotou? Ďalej môžu objasniť existenciu tmavej hmoty a tmavej energie alebo vysvetliť pôvod už registrovaného kozmického žiarenia ultravysokých energií.
Nedávno bolo otvorené ďalšie okno do vesmíru prostredníctvom detekcie gravitačných vĺn využitím obrovských interferometrov, čo potvrdilo správnosť Einsteinovej teórie všeobecnej relativity.
Znamená to novú éru v astronómii, podobne ako to bolo pred 400 rokmi, keď Galileo Galilei vyrobil ďalekohľad a pozrel sa ním na oblohu. Štúdium gravitačných vĺn nám pomáha lepšie porozumieť kataklizmatickým astronomickým udalostiam typu zrážok čiernych dier s neutrónovými hviezdami. Schopnosť detegovať gravitačné vlny otvára nové okno pozorovania kozmologických udalostí, čo umožní lepšie porozumieť vesmíru.
Ilustrácia plánovanej konštrukcie neutrínového teleskopu TRIDENT (The TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope) v Juhočínskom mori s detekčným objemom 8 kilometrov kubických. Zdroj: TRIDENT Collaboration, https://trident.sjtu.edu.cn/en
Všetky okná do vesmíru, či už elektromagnetické, neutrínové, alebo gravitačné sú rovnako dôležité, nezameniteľné a vzájomne komplementárne. Tento fakt viedol k vytvoreniu takzvanej multimessenger astronomy alebo astronómie viacerých poslov. Ide o astronómiu založenú na koordinovanom pozorovaní a interpretácii rôznorodých signálov z vesmíru. Zahŕňa registráciu elektromagnetického žiarenia, gravitačných vĺn, neutrín a kozmického žiarenia.
Človek ako zdroj neutrín
Mohli by sa aj ľudia stať detektormi neutrín?
Určite nie. Neutrína sú extrémne ľahké a veľmi slabo interagujú s hmotou, takže nami môžu prechádzať a dokonca môžu prechádzať aj celými planétami bez akéhokoľvek účinku. Každým centimetrom štvorcovým nášho tela prelietava každú sekundu sto miliónov neutrín zo Slnka.
Pravdepodobnosť, že kozmické neutríno interaguje s naším telom, je raz za náš život a ani si to nevšimneme. Ako všade vo vesmíre, tak i našom tele sú prítomné v malom množstve ešte reliktné neutrína – 340 v centimetri kubickom –, ale neviažu sa s ním. Väčšina neutrín prechádza všetkým bez toho, aby sme si ich vôbec všimli.
Na detekciu neutrín potrebujeme veľký detekčný objem, ísť hlboko do vnútra Zeme alebo morí, aby sa odtienilo pozadie hlavne od atmosférických miónov, ktoré vznikajú pri zrážke kozmického žiarenia s atmosférou Zeme, a využiť mechanizmus identifikácie sekundárnych častíc vznikajúcich pri interakcii s hmotou. Naše telo nič také neposkytuje.
Na druhej strane sme malým zdrojom neutrín. Naše telo je zložené hlavne z atómov kyslíka, uhlíka, vodíka a dusíka. Obsahuje ale v menšej miere aj iné elementy, medzi ktoré patrí i nestabilný draslík s polčasom rozpadu 1 290 000 000 rokov, ktorý sa transformuje na argón a kalcium pri súčasnej emisii (anti)neutrín. Takýmto spôsobom vznikajú neutrína v našom tele. Áno, sme rádioaktívni a emitujeme stovky miliónov neutrín za deň. My o tom ani nevieme a tieto neutrína nám nič nespôsobujú, len letia ďalej vesmírom.
Neutrína s praktickým využitím
Akú otázku o neutrínach sa vás ešte nikto nespýtal a radi by ste ju dostali?
Majú už neutrína alebo môžu mať v budúcnosti praktické využitie?
Aké by teda bolo ich využitie v praxi?
Neutrína majú už teraz praktické využitie. Budujú a ďalej sa vyvíjajú detektory na online registráciu (anti)neutrín z jadrového reaktora, ktoré umožňujú na základe množstva registrovaných neutrín a určenia ich energetického spektra monitorovať jadrové reakcie prebiehajúce v reaktoroch.
Je to téma, ktorej sú venované vedecké konferencie a ktorú rozvíja i Medzinárodná agentúra pre atómovú energiu. Má to význam z hľadiska bezpečnosti jadrových reaktorov, ako aj možný ekonomický dosah, keďže lepšia kontrola jadrových procesov v reaktore by umožnila efektívnejšie využiť jadrové palivo predĺžením doby jeho exploatácie.
Súčasné technológie na detekcie antineutrín z jadrových reaktorov, ktoré sa ďalej zdokonaľujú, umožňujú nepretržité monitorovanie zmien jadrového paliva a ich výmenu. Zodpovedajúci detektor antineutrín sa nachádza samostatne mimo reaktorovej nádoby. Takéto zariadenia umožňujú väčšiu bezpečnosť jadrového reaktora a zamedzenie ilegálnej produkcie jadrového materiálu na vojenské účely. Zdroj: https://johncaunt.com/reactor-monitoring/
V prípade mobility by sa mohli uvedené detektory neutrín využiť tiež na kontrolu jadrového zbrojenia. V jadrových reaktoroch sa produkuje plutónium, čo je materiál na výrobu atómových bômb. Utajiť existenciu jadrových reaktorov neutrína neumožňujú.
Existujú úvahy, že neutrína by sa mohli použiť v budúcnosti na medziplanetárnu a medzihviezdnu komunikáciu, napríklad pri kolonizácii Marsu, alebo na komunikáciu s mimozemskými civilizáciami. V porovnaní napríklad s rádiovou komunikáciu by to malo výhodu, keďže neutrína sú v podstate imúnne proti interferencii s hmotnými objektmi. Vyžadovalo by to vybudovať intenzívne zväzky neutrín, ako aj citlivé detektory neutrín. Odosielanie medzihviezdnych správ je potenciálne oveľa jednoduchšie ako medzihviezdne cestovanie, keďže je možné pomocou vybavenia a technológií, ktoré sú v súčasnosti dostupné. Vzdialenosti od Zeme k iným potenciálne obývaným systémom však spôsobujú neúmerné oneskorenia za predpokladu obmedzení daných rýchlosťou svetla. O možnostiach pozorovania mimozemských signálov od hypotetických mimozemských galaktických, resp. extragalaktických, civilizácií sa uvažuje už od začiatku 20. storočia.
Prvá Nobelova cena bola v súvislosti s neutrínami udelená v roku 1988, posledná v roku 2015. Existuje možnosť, že by v budúcnosti neutrína získali ďalšie prestížne ocenenia?
Napriek tomu, že veľa toho o neutrínach ešte nevieme, boli už udelené štyri Nobelove ceny za fyziku neutrín a v trochu v nelogickom poradí.
Bruno Pontecorvo mal prsty v troch z týchto udelených Nobelových cenách (1988, 2002 a 2015), ale nedočkal sa, respektíve nedožil sa žiadnej z nich. Clyde Cowan nebol ocenený za objav neutrína, pretože Nobelove ceny sa neudeľujú posmrtne. Okrem toho boli ocenení Lee a Yang (1957) Nobelovou cenou za objav nezachovania priestorovej symetrie v slabých interakciách častíc, čo priamo súvisí s neutrínami, a Wolfgang Pauli (1945) a Enrico Fermi (1938), ktorí významne prispeli k teórii fyziky neutrín, získali Nobelovu cenu za prácu, ktorá priamo nesúvisí s neutrínami.
Niet pochýb, že je tu potenciál na ďalšie Nobelove ceny, napríklad za určenie podstaty neutrín (dirakovská alebo majoranovská), malých hmotností neutrín, narušenie nábojovej a priestorovej symetrie v neutrínovom sektore, potvrdenie existencie ďalších takzvaných sterilných neutrín, pozorovania zdrojov astrofyzikálnych vysokoenergetických neutrín. A nepochybne aj za pozorovanie reliktných neutrín, ktoré sú dôsledkom veľkého tresku. Neutrína sú naším oknom do vesmíru.
(RR)
