Neutrina nabízejí nový obraz vesmíru

Experiment Superkamiokande přinesl pravděpodobně největší objev posledních desetiletí

Neutrina nabízejí nový obraz vesmíru

* V polovině loňského roku na konferenci v Japonsku oznámila skupina japonských a amerických fyziků nové poznatky o neutrinech.
Je to nejdůležitější objev posledních desetiletí v oboru fyziky částic, komentoval tuto událost nositel Nobelovy ceny za fyziku, americký fyzik Sheldon Glasshow.
Neutrina jsou tak nepolapitelná, že k bezpečnému zachycení by byla třeba olověná deska o síle 9 miliard km. Proto také zůstávala čtvrt století let hypotézou, než se v roce 1956 podařilo vědcům detekovat první z nich.
Neutrino se zrodilo v plodném mozku rakouského fyzika Wofganga Pauliho jako pokus o vyřešení rozpadu neutronu na proton a elektron. Rozílná energetická bilance tohoto procesu dokonce ohrožovala platnost zákona o zachování energie. Pauli tento rozpor vyřešil zavedením neznámé neutrální částice, která odnášela "přebytečnou" energii uvolněnou rozpadem. Italský fyzik Enriko Fermi ji nazval neutrinem a přiřadil do skupiny leptonů.

Tři "bratři"

Neutrina jsou prakticky všudypřítomná. Vesmír jich obsahuje miliardkrát víc než protonů a neutronů! Pocházejí z nejrůznějších zdrojů. Jaderné elektrárny, přirozeně radioaktivní prvky a především hvězdy jsou sídlem nesčetných jaderných reakcí, které většinou vysílají neutrina. Slunce nás zahrnuje miliardami neutrin na čtvereční centimetr za sekundu, která námi procházejí, aniž by nám sebeméně ublížila... Konečně toneme v oceánu fosilních neutrin vytvořených v několika zlomcích vteřiny po velkém třesku. Tato kosmologická neutrina mají tak malou eneergii, že prakticky nikdy nereagují vzájemně s hmotou. Podle výpočtů je v každém krychlovém centimetru obsaženo několik stovek fosilních neutrin, která snad nebudou zjištěna nikdy.
V roce 1962 se objevují nová, mionová neutrina. Miony jsou jakýmisi hmotnějšími bratry elektronů. Později se tato rodina rozrostla o třetí typ netrina, které doprovází ještě masívnějšího příbuzného elektronu - částici tau. Otázkou však zůstávalo, jestli mají neutrina nějakou klidovou hmotnost. Odpověd na tuto otázku totiž v sobě možná ukrývá směr vývoje celého vesmíru.
Již dříve spočítali teoretičtí fyzikové horní hranici případné hmotnosti neutrin. Hmotnost neutrina spojeného s elektronem nesmí přesáhnout 4 elektronvolty (eV) - což předstdavuje méně než jednu stotisícinu hmotnosti elektronu, nejlehčí známé částice. Hmotnost mionového neutrina nesmí přesáhnout160 KeV a neutrina tau 24 MeV.

Částice s příchutí

Mikrosvět je zcela řízen zákony kvantové fyziky, radikálně odlišnými od klasických zákonů. Kvantová fyzika ale ne-umí říci, zda neutrina mají hmotnost.
"Vycházejme z předpokladu, že hmotnosti nejsou nulové. Víme, že mohou existovat ve třech "stavech příchuti": neutrino-elektron, neutrino-mion a neutrino tau a ve třech stavech hmotnosti - m1, m2 a m3. Avšak není důvod, proč by stavy příchutě se shodovaly se stavy hmotnosti," vysvětluje Jacques Boucher, fyzik na francouzském komisariátu jaderné energie (CEA).
Jinak řečeno, neutrino elektron nemá dobře definovanou hmotnost: Je to jistá směs m1, m2 a m3. Recipročně neutrino hmotnosti m1 je koktejl různých "příchutí".
"Když neutrino reaguje, je jediným v úvahu přicházejícím faktorem jeho příchuť. Naproti tomu při přemisťování prostorem je důležitá jeho hmotnost. Když se vytvoří neutrino s příchutí neutrino-elektron, cestuje prostorem v několika stavech hmotnosti. To je jako navrstvení několika vln, které se šíří různými fázemi, které oscilují v závislosti na vzdálenosti. Pokoušíme-li se zjistit toto neutrino, zachytí se jen jedna příchuť a nikdy směs," dodává, Jacques Bouchez.
Souhrně řečeno, mají-li neutrina hmotnost, musí oscilovat periodicky mezi několika stavy příchutí. Následkem je, že když se zjistí méně neutrin, než se předpokládalo od jedné dané příchuti, může tento deficit znamenat, že se netransformovala v jiný druh (který se nezjistí), tedy že mají hmotnost.
Více než třicet let hledali fyzikové oscilace neutrin bez prokazatelného úspěchu. Je ale nutné si uvědomit, že současná technika jim umožňovala zachytit řádově pouze jedno z několika set miliard neutrin. A to k vyslovení nějakého fundovaného závěru nestačilo.

Prokázané oscilace

První paprsek svěla vnesly do nejasností okolo hmotnosti neutrin výsledky experimentu na zařízení Superkamiokande v Japonsku, kterého se účastní sto dvacet japonských a amerických fyziků.
"Prakticky všichni jsou dnes přesvědčeni, že existují oscilace atmosférických neutrin a že neutrina mají hmotnost," shrnuje Michel Cribier ze služby fyziky částic Komisariátu pro jadernou energii ve Francii.
Pokus začal v dubnu 1996. Detektor je obrovská válcová nádoba o půměru 40 metrů a výšce 40 m uložená ve starém dole, naplněná ultračistou vodou a zcela pokrytá 1300 fotomultiplikátory, které zjišťují a zesilují světelné záření. Na tomto zařízení bylo zjištěno, že předpokládaná oscilace neutrin skutečně existuje a podařil se stanovit vztah mezi ní a hmotností neutrin. Čím delší je oscilace, tím je rozdíl menší. Podle údajů Superkamiokande se vyhodnotil rozdíl hmotnosti mezi neutriny-miony a neutriny tau na 0,04 eV, ale tento odhad musí být potvrzen dalšími pokusy. Několik se jich již připravuje v Cukubě (Japonsko), v CERN (Ženeva) a ve Fermilab nedaleko Chicaga.

Neúplný kosmos

Fyzikové a také astrofyzikové mají četné důvody pro to, aby se vzrušovali pro toto téma. Tak chronický deficit slunečních neutrin měřených již celá desetiletí označovaný jako "neutrinový skandál" by mohl také být vysvětlen právě touto oscilací. Ale především hmota neutrin by mohla změnit osud vesíru. Jakkoliv jsou neutrina mimořádně lehká, jsou také neuvěřitelně početná. Astrofyzikové jsou již dlouho konfrontováni s ožehavým problémem "chybějící hmoty" vesmíru. Lze spočítat hmotnost (nebo hustotu) vesmíru z hmotnosti hvězd a viditelné rokhmoty. Když se však pozoruje otáčení galaxií, všimneme si, že jejich pohyb odpovídá hmotnostem nebo hustotám mohem vyšším než těm, které pozorujeme. Vše se děje, jako by galaxie a hmota, které známe, představovaly jen 10 procent hmoty vesmíru a jako by 90 procent bylo tvořeno skrytou hmotou. Neutrina by moh-la pomoci rozhodnout, jestli se bude vesmír nadále neomezeně rozpínat, anebo jestli se tento proces v budoucnu jednou obrátí a všechno skončí Velkým krachem.

Pod kritickou mezí

"Hmotná neutrina představují vhodné kandidáty pro vysvětlení chybějící hmoty. Jenže experiment Superkamiokande nedodává údaj o absolutní hotnosti, a tak zatím na tuto otázku neznáme definifitvní odpověď. Minimální rozdíl změřené hmotnosti mezi dvěma neutriny (0,04 eV) evokuje myšlenku, že samotné hmotnosti jsou rovněž velmi slabé," poznamenává Michel Cribier.
"Máme-li jen neutrina pro tvoření celé chybějící hmotosti, těžko se dá vysvětlit tvoření galaxií," dodává Jacques Bouchez. "Nejnovější scénáře také přisuzují neutrinům jen omezený podíl na celkovém objemu skel ryté hmoty."
Otázka dalšího vývoje vesmíru tedy zůstává otevřená. Všechno závisí na hustotě hmotnosti: Je-li nad jistou kritickou mezí, převládne gravitace a vesmír se jednou začne smršťovat. Je-li pod touto hranicí, pokračovalo by rozpínání donekonečna. Současný stupeň poznání nedovoluje toto definitivně rozhodnout.
Někteří kosmologové se také přiklánějí k modelu kritického vesmíru - "plochého" vesmíru na hranici mezi rozpínáním a smršťováním. Tady hrají neutrina závažnou roli. K dosažení kritické hranice hustoty vesmíru stačí, aby součet hmotnosti všech tří neutrin dosáhl zhruba 40 eV. Zatím je na to ale příliš brzy, aby moh-la být podmínka potvrzena.

Krok směrem k Velkému sjednocení?

Naproti tomu výsledky Superkamiokande jsou snad prvními náznaky nové teorie sjednocení částic a sil. Současný standardní model přisuzuje neutrinům nulovou hmotnost, ale lze jej přizpůsobit některým úpravám. Některé teorie přitom předpokládají masívní neutrina, jiné jim dávají nulovou hmotnost - ty už bude zřejmě nutné opustit.
Teoretičtí fyzikové se pokoušejí o sjednocení elektromagnetických sil se silami slabými (to se již podařilo) a se silnými silami do jediné univerzální teorie nazývané Velké sjednocení. Jedna z hypotéz vysvětluje i extrémně slabou hmotnost neutrin: Byla by tím menší, čím vyšší je energie Velkého sjednocení. Tak dosud nesmělý důkaz, že neutrina mají hmotnost, by naznačoval - kdo ví - první krok ke stanovení energie Velkého sjednocení. Následující roky nepochybně upřesní hmotnost neutrin a posunou i hranice fyziky a kosmologie, ve kterých tyto částice, které se dnes již staly přece jen o něco méně nepolapitelnými, hrají klíčovou roli.

S použitím zahraničních pramenů:
Jaromír Švamberk,
Petr Rampír