Vedec, ktorý predpovedal ich existenciu, o nich pred 95 rokmi povedal, že nebudú nikdy pozorované.
Galaktický urýchľovač. V novembri 2022 potvrdilo observatórium IceCube, že špirálová galaxia NGC1068, známa aj pod označením Messier 77, je zdrojom vysokoenergetických neutrín. Zdroj: CERN
V pozorovateľnom vesmíre sú najrozšírenejšími časticami, a predsa je nesmierne ťažké podrobiť ich detailnejšiemu výskumu. Sú ako nepolapiteľný zločinec, ktorý uniká húževnatým detektívom. Prenikajú našou Zemou aj telami všetkých živých bytostí bez toho, aby sme si ich prítomnosť uvedomovali. V najrôznejších textoch ich autori označujú ako duchov, vesmírnych introvertov, dokonca aj ignorantov.
Neutrína môžu byť pritom kľúčom k pochopeniu novej fyziky za súborom poznatkov, ktorými opisujeme svet prostredníctvom elementárnych častíc – za takzvaným štandardným modelom fyziky častíc. Vedci do nich vkladajú nádej, že im pomôžu odhaliť tajomstvá temnej hmoty, temnej energie a samotného vzniku vesmíru.
Ich existenciu predpovedal pred 95 rokmi rakúsky teoretický fyzik Wolfgang Ernst Pauli. Za svoje pomenovanie ale vďačí neutríno talianskemu fyzikovi Enricovi Fermimu, ktorý ho označil ako picollo neutron.
V prvej časti z trojdielnej série rozhovorov o neutrínach vysvetlí slovenský fyzik Fedor Šimkovic, aký rozpačitý bol objav neutrína, čo alebo kto môže byť zdrojom neutrín a aké záhady nám táto neutrálna častica pomáha riešiť.
Neviditeľný svet častíc
Všetko, čo vidíme okolo seba a z čoho pozostáva náš viditeľný svet a vesmír, tvorí hmota a jej malé čiastočky. Akými pravidlami sa riadia?
Máme dve knihy pravidiel, ako funguje svet, ktoré nie sú kompatibilné. Na jednej strane je to Einsteinova všeobecná teória gravitácie, ktorá presne opisuje pohyby planét, hviezd, zrážky galaxií, expanziu vesmíru a podobne. Na druhej strane máme kvantovú mechaniku, respektíve relativistickú kvantovú teóriu poľa, ktorá vytvorila jednotnú teóriu elektromagnetických, slabých a silných interakcií, takzvaný štandardný model fyziky častíc. Sily štyroch typov fundamentálnych interakcií, t. j. gravitačných, slabých, ktoré sú zodpovedné napríklad za beta premeny jadier, elektromagnetických a silných, zodpovedných za existenciu atómových jadier, sú v pomere 10-36: 10-7: 1: 20.
Štandardný model fyziky častíc je teória, ktorá opisuje základné zložky hmoty a interakcie medzi nimi. „Štandardný model, hoci je neuveriteľne úspešný, nedokáže vysvetliť gravitáciu, pôvod temnej hmoty, temnej energie a ani to, prečo je vo vesmíre viac hmoty ako antihmoty,“ vysvetľuje v rozhovore fyzik Fedor Šimkovic. Zdroj: CERN
Aké častice tvoria hmotu a kde sa v usporiadaní štandardného modelu nachádza neutríno?
Hmota vo vesmíre je tvorená dvoma kategóriami subatomárnych častíc, ktoré sú súčasťou štandardného modelu, a to kvarkami a leptónmi.
Z kvarkov sú tvorené napríklad protóny a neutróny vnútri atómov. Je potvrdená existencia šiestich rôznych typov kvarkov, ktoré sú začlenené do troch generácií s označením aróm.
Leptónov je rovnako šesť a sú tiež kategorizované do troch arómov. Tri leptóny sú nositeľmi elektrického náboja – elektrón a jeho ťažšie a nestabilné verzie mión a tau častica. Ich partnermi sú elektrónové, miónové a tau neutrína, ktoré sú nábojovo neutrálne.
Častice sprostredkujúce interakcie kvarkov a leptónov v štandardnom modeli sú gluón (silná interakcia), fotón (elektromagnetická interakcia), W a Z bozóny (slabá interakcia).
Higgsova častica je zodpovedná za generovanie hmotností kvarkov a leptónov s výnimkou neutrín. V štandardnom modeli je hmotnosť neutrín nulová. Neutrína netvoria na rozdiel od ostatných kvarkov a leptónov viazané stavy a v rámci štandardného modelu komunikujú len prostredníctvom slabej interakcie.
Dnes už vieme, že neutrína majú malé hmotnosti, mnoho rádov menšie ako kvarky a ostatné leptóny. Vyplynulo to z pozorovania fenoménu neutrínových oscilácií, t. j. že neutrína menia pri šírení priestorom svoju identitu. Malé hmotnosti neutrín majú iný pôvod ako hmotnosti ostatných častíc v štandardnom modeli a svedčia o existencii novej fyziky mimo jeho rámca.
Aké nevyjasnené otázky nám pomáha existencia neutrín riešiť alebo ich lepšie pochopiť?
Na základe kozmológie a astrofyziky vieme, že vesmír sa skladá z troch zložiek: zo štandardnej alebo z viditeľnej hmoty (5 percent), z tmavej hmoty (27 percent) a z temnej energie (68 percent).
Temná hmota tvorí väčšinu hmoty galaxií, klastrov galaxií a je zodpovedná za spôsob, akým sú galaxie formované v obrovských priestoroch vesmíru.
Temná energia je názov, ktorý dávame tajomnému vplyvu poháňajúcemu zrýchlenú expanziu vesmíru. Štandardný model, hoci je neuveriteľne úspešný, nedokáže vysvetliť gravitáciu, pôvod temnej hmoty, temnej energie a ani to, prečo je vo vesmíre viac hmoty ako antihmoty.
Podľa interakcií štandardného modelu by malo zrodenie nášho vesmíru vyprodukovať hmotu a antihmotu v rovnakých množstvách. Ale nejako sa táto rovnováha naklonila k vytvoreniu sveta ovládaného hmotou, v ktorom dnes žijeme.
Neutrína skrývajú odpovede aj na tieto nezodpovedané otázok. Môžu nám poodhaliť, ako vznikol vesmír, čo tvorí tmavú hmotu vesmíru, podstatu tmavej energie, prečo vo vesmíre dominuje hmota nad antihmotou a čo sa deje v hĺbkach vesmíru.
Záhadné neutrína
I napriek tomu, že ich označujeme ako nepolapiteľné častice, zdá sa, že o nich máme určite vedomosti. Je niečo, čo o nich ešte potrebujeme zistiť?
Neutrína sú najrozšírenejšou hmotnou časticou vo vesmíre, miliárd ráz počtom prevyšujúce baryóny (protóny, neutróny). V pozorovateľnom vesmíre, t. j. vo sfére s polomerom 93 miliárd svetelných rokov, ich je približne desať na osemdesiatu siedmu. I napriek tomu zatiaľ o neutrínach veľa nevieme. Nepoznáme hmotnosti neutrín, možné narušenie priestorovo-nábojovej symetrie v sektore neutrín. Ďalej nevieme, či existujú ďalšie neutrína mimo rámca štandardného modelu, takzvané sterilné neutrína, či sú neutrína samé sebe antičasticami alebo majú svoju antičasticu.
Rakúsky teoretický fyzik Wolfgang Pauli (1900 – 1958) bol jedným z priekopníkov kvantovej fyziky. Predpokladal existenciu neutrín, ale zároveň dodal, že takáto častica nebude nikdy pozorovaná. Ešte počas Pauliho života bola ich existencia potvrdená. Zdroj: wikipedia commons
História neutrín sa začína písať pred necelým storočím. V literatúre sa môžeme dočítať, že ich objaviteľ vôbec nebol pyšný na svoje zistenia. Dokonca o nich nepublikoval ani vedecký článok. Ktoré udalosti stáli na počiatku ich objavu?
Neutrína sú malé neutrálne častice, ktoré majú dlhú históriu spojenú s množstvom záhad. Na začiatku minulého storočia poukazovali experimentálne údaje o jadrových beta premenách, v ktorých sa registrovali emitované elektróny, na možnosť nezachovania zákonov zachovania energie a uhlového momentu. Tie sú však základnými kameňmi fyziky. Možnosť vzniku ďalšej častice v tejto premene, vďaka ktorej boli tieto zákony zachovania nespochybnené, navrhol Wolfgang Pauli v roku 1930. Nenapísal vedecký článok. Možné riešenie problému navrhol v liste, ktorý poslal na konferenciu do Tübingenu s oslovením Vážené rádioaktívne dámy a vážení rádioaktívni páni.
Neutríno nemalo hneď na počiatku ani svoj názov. Ako ho označovali?
Prvotný názov tejto častice bol neutrón. Skoro po objave neutrónu, ktorý s protónmi vytvára atómové jadrá, ho Enrico Fermi, otec prvého jadrového reaktora na svete, pokrstil na piccolo neutron, čiže neutríno. Po taliansky to znamená malý a neutrálny, čo reprezentuje kľúčové vlastnosti neutrína: je bez náboja a má neuveriteľne malý rozmer a nízku hmotnosť.
Prvá teória interakcií neutrín, t. j. slabých interakcií, bola formulovaná Enricom Fermim. Wolfgang Pauli predpokladal, že daná častica nebude nikdy pozorovaná, pretože o sebe skoro nedáva vedieť a s ostatnou hmotou takmer neinteraguje.
Mýlil sa. Ešte počas jeho života, a to o 26 rokov neskôr od formulovania jeho predpokladu, čiže v roku 1956 potvrdili Frederick Reines a Clyde Cowan jeho existenciu registrovaním (anti)neutrín unikajúcich z reaktora. V roku 1995 bola za tento objav udelená Nobelova cena za fyziku. Išlo v poradí o druhú Nobelovu cenu za neutrína.
Z polohy čisto teoretickej častice sa začínajú neutrína čoraz častejšie objavovať vo vážnych debatách vedeckých kruhov. Ako sa ďalej vyvíjali objavy s nimi spojené?
V roku 1947 prišiel taliansky jadrový fyzik Bruno Pontecorvo s myšlienkou univerzálnosti slabých interakcií, ktorá vychádza z formovania párov častíc elektrón – neutríno a mión – neutríno z pohľadu slabých interakcií. Predpokladal, že miónové a elektrónové neutrína sú rôzne častice. Na potvrdenie tejto hypotézy navrhol v roku 1959 experiment so zväzkami neutrín, generovaných urýchľovačom protónov. V roku 1962 bol experiment zrealizovaný v Brookhaven National Laboratory a potvrdil existenciu miónového neutrína. Išlo o prvú Nobelovu cenu za neutrína, ktorá bola udelená v roku 1988.
Po tom, ako Martin Perl objavil so spolupracovníkmi existenciu tau leptónu v sérii experimentov realizovaných v SLAC National Accelerator Laboratory v rokoch 1974 – 1977, bol vyslovený predpoklad existencie tau neutrína. Tau je najťažšia verzia v rodine troch častíc súvisiacich s elektrónom. Elektrón a mión už boli známe, rovnako ako boli známe elektrónové a miónové neutrína. Paralelná štruktúra naznačovala, že rodina neutrín by mala získať aj ďalšieho člena – tau neutríno.
Táto častica bola objavená experimentom DONUT vo Fermilabe v roku 2000 využitím vtedy najvýkonnejšieho urýchľovača častíc na svete na generovanie intenzívneho zväzku neutrín. Iba jedno z každej miliardy tau neutrín interagovalo v detektore a zanechalo stopu, ktorú fyzici dokázali identifikovať. Vedci našli štyri tau neutrína – malý, ale významný počet.
Elektrónové, miónové a tau neutrína vznikajú, resp. zanikajú v slabých interakciách v páre s elektrónom, miónom a s tau časticou. Kvantovomechanický fenomén neutrínových oscilácií umožňuje ich vzájomnú transformáciu pri šírení priestorom. Tento fenomén bol predpovedaný talianskym fyzikom Brunom Pontecorvom v Spojenom ústave jadrových výskumov v Dubne v roku 1957. Pontecorvo bol jeden zo slávnej skupiny Enrica Fermiho na univerzite v Ríme, ktorých nazývali aj ragazzi di via Penisperna.
Na základe ďalších objavov vo fyzike elementárnych častíc, ako aj teoretického výskumu bol za značného prispenia Bruna Pontecorva a jeho spolupracovníkov formalizmus neutrínových oscilácií transformovaný do súčasnej podoby a interpretuje sa ako periodická zmena troch identít alebo aj aróm neutrín pri šírení sa priestorom.
Zmena identít
Spomínali ste, že to, čo o neutrínach vieme, vyplynulo z tohto zaujímavého javu. Môžeme ho prirovnať k tomu, keď zločinec na úteku mení prestrojenie?
Na začiatku tohto storočia boli prezentované presvedčivé dôkazy o existencii fenoménu oscilácií neutrín. V roku 2015 bola za to udelená Nobelova cena za fyziku, čiže v poradí štvrtá za neutrína.
Experiment Super-Kamiokande ukázal, že miónové neutrína, vznikajúce v zemskej atmosfére a šíriace sa k detektoru cez vnútro Zeme, sa menia hlavne na tau neutrína, i keď neboli priamo registrované. Závislosť počtu registrovaných neutrín v detektore od vzdialenosti, ktorú prejdú, má najprirodzenejšie vysvetlenie fenoménom neutrínových oscilácií.
Experiment SNO (Sudbury Neutrino Observatory) zaregistroval iné ako elektrónové neutrína od Slnka, i keď na Slnku vznikajú v dôsledku jadrových procesov len elektrónové neutrína. Interpretácia tohto fyzikálneho javu je možná len na základe oscilácií neutrín.
Úlohou detektora OPERA, umiestneného v Laboratori Nazionali del Gran Sasso v Taliansku, bolo hľadanie tau neutrín, vznikajúcich z miónových neutrín, generovaných v 730 kilometrov vzdialenom CERN-e. V roku 2015 bolo potvrdených päť registrovaných tau neutrín, čo bolo presvedčivým dôkazom oscilácie miónových neutrín v tau neutríne.
Objav neutrínových oscilácií nám povedal, že neutrína sú hmotné častice, ale neurčil ich hmotnosť, keďže pozorovanie tohto procesu závisí od rozdielu druhých mocnín hmotností neutrín a nie od ich absolútnych hodnôt. Malé hmotnosti neutrín predstavujú dôkaz o novej fyzike mimo rámca štandardného modelu fyziky častíc, menia našu predstavu o vesmíre a sú predmetom intenzívneho záujmu vo viacerých vedeckých oblastiach.
Tá analógia so zločincom na úteku, ktorý mení prestrojenie je pekná, hoci neutrína žiaden zločin nespáchali, stále však niečo ukrývajú.
Pohľad do vnútorných priestorov Veľkého hadrónového urýchľovača (LHC) v CERN-e. Zdroj: CERN
Kolíska neutrín
Kde vznikajú neutrína?
Neutrína sú všade vo vesmíre. Vznikli ešte do prvej sekundy existencie vesmíru po veľkom tresku, ako sa označuje začiatok existencie nášho vesmíru. Je to jedna z najrozšírenejších elementárnych častíc vo vesmíre. Ako sa vesmír rozpínal a chladol, energia týchto neutrín sa postupne zmenšovala. Tieto neutrína, ktoré sú pozostatkom veľkého tresku, nazývame reliktnými neutrínami a sú analógiou už pozorovaného reliktného mikrovlnného žiarenia. Avšak pre svoju malú energiu ešte neboli doposiaľ pozorované. Nemáme na to technológie. V kubickom centimetri ich má byť okolo 340. Reliktné neutrína sú malým komponentom tmavej hmoty vesmíru. Ich hmotnosť, ktorá je neznáma, ale veľmi malá, hrala dôležitú úlohu pri formovaní vesmíru. Určila napríklad rozloženie galaxií, ktoré sú ako zrnká piesku vo vesmíre.
Neutrína vznikajú vo veľkom množstve na Slnku, t. j. vo hviezdach, počas fúznych jadrových procesov a ešte vo väčšom množstve pri výbuchu supernov, t. j. umierajúcich hviezd. Masívna hviezda na konci svojho života v priebehu menej ako jednej sekundy gravitačne skolabuje a v závislosti od jej hmotnosti vznikne biely trpaslík, neutrónová hviezda alebo čierna diera. Uvoľní sa obrovské množstvo energie, a to hlavne – asi 99 percent – emisiou neutrín.
V roku 1987 zaregistrovali detektory umiestnené v troch podzemných laboratóriách 25 neutrín z výbuchu supernovy 1987A zo vzdialenosti 168 000 svetelných rokov (Nobelova cena za fyziku za rok 2002 – tretia za neutrína). Bolo to vôbec po prvýkrát, čo boli neutrína zo supernov zaznamenané.
Neutrína z jadra supernov unikajú rýchlejšie ako fotóny, preto k nám dorazia skôr, ako na oblohe zaregistrujeme svetelný úkaz typu rozsvietenej novej hviezdy.
Zdrojom neutrín je aj Zem. Ako ich produkuje naša planéta?
Predmetom záujmu sú aj geoneutrína, ktoré vznikajú vnútri Zeme v dôsledku rozpadových rádov uránu a tória. Pri tom sa v našej Zemi uvoľňuje teplo na úrovni 30-40 terawattov, bez ktorého by sme zamrzli. Ako vyzerá vnútro našej Zeme, je predmetom výskumu a môžeme sa o tom dozvedieť registrovaním geoneutrín.
Neutrína s približne miliónkrát väčšími energiami ako zo Slnka, resp. supernov, vznikajú v atmosfére Zeme v dôsledku zrážok kozmického žiarenia s ňou. Veľkou neznámou sú vysokoenergetické neutrína astrofyzikálneho pôvodu, vznikajúce v našej Galaxii a mimo nej.
Na ich detekciu sa budujú neutrínové teleskopy, ktoré majú možnosť identifikovať ich zdroje, čo môžu byť zrážky neutrónových hviezd, resp. čiernych dier, aktívne galaktické jadrá (kvazary, blazary, Seyfertove galaxie), teda čierne diery v centrách galaxií, a procesy prebiehajúce v ich blízkosti v dôsledku narastania hmoty čiernych dier pri pohltení druhých objektov.
Dokážeme vybudovať nejaký zdroj neutrín aj na Zemi?
Ľudstvo vytvorilo zdroje neutrín v podobe jadrových reaktorov, ktoré na základe beta premien jadier, vznikajúcich pri štiepnych procesoch ťažkých jadier v reaktore (izotopy uránu a plutónia), produkujú antineutrína s energiami porovnateľnými s tými zo Slnka.
Ďalej boli vytvorené intenzívne zväzky neutrín s podstatne väčšími energiami na urýchľovačoch protónov, a to rovnakým spôsobom, ako sú produkované atmosférické neutrína. Urýchlený protón, rovnako ako kozmické žiarenie, narazil do terčíka (v prípade kozmického žiarenia sú to molekuly atmosféry), v dôsledku čoho vznikli mezóny (pióny a kaóny), ktoré sa rozpadli neutrínovými kanálmi.
Častice s vysokými energiami
Neutrína môžu dosahovať vysoké energie. Aké napríklad?
Energetické rozmedzie neutrín, ktoré vznikajú v prírode, predstavuje viac ako dvadsať rádov. Je dobré si ozrejmiť energetickú škálu v jednotkách eV – elektrónvoltoch. Kinetickú energiu 1 eV získa elektrón, ktorý je urýchlený v coulombickom poli s potenciálovým rozdielom 1 volt.
Reliktné neutrína majú typicky kinetické energie rádovo tisíciny eV (meV), neutrína z beta premeny a fúzie jadier energie rádovo 1 – 10 MeV (1 MeV = milión eV), atmosférické neutrína energiu gigaelektrónvolt (1 GeV = miliarda eV) a viacej, astrofyzikálne neutrína s energiou teraelektrónvolt (1 TeV = tisíc miliárd eV), resp. petaelektrónvolt (1 PeV = 1 000 000 GeV) a viacej.
Na porovnanie možno uviesť, že protóny na urýchľovači LHC v CERN-e sú urýchlené v protibežných zväzkoch na energiu 14 TeV a najenergetickejšie registrované kozmické žiarenie malo energiu rádovo stoviek exaelektrónvoltov (1 EeV = 1 000 000 TeV = 1018 eV).
Ako ich dokážeme detegovať, ak reagujú s hmotou iba veľmi slabo alebo nereagujú vôbec?
Neutrína interagujú s hmotou len pomocou slabých a gravitačných síl, čiže veľmi slabo. V prípade slnečných neutrín je stredná voľná dráha v olove približne jeden svetelný rok – teda vzdialenosť, ktorú neutríno prejde, kým bude absorbované. Aby sme spoznali ich vlastnosti, je potrebné budovať obrovské detektory, a to v podzemí, v hĺbkach morí, oceánov, jazier a ľade, aby sa zabránilo pozorovaniu nežiaducich procesov na pozadí, najmä v dôsledku kozmického žiarenia.
Pravdepodobnosť interakcie neutrín s hmotou prostredníctvom slabých síl závisí od kvadrátu energie neutrín. Pre vysokoenergetické neutrína z vesmíru môže byť naša Zem už nepriehľadná.
(RR)
