Fedor Šimkovic: Neutrína - elementárne častice, ktoré periodicky menia svoju identitu

2.3.2016, Quark. Rozhodnutím Kráľovskej švédskej akadémie vied bola udelená Nobelova cena za fyziku za rok 2015 za objav neutrínových oscilácií. Laureátmi sú takaaki Kajita (56) z univerzity v tokiu a emeritný profesor Arthur B. McDonald (72) z Queen's university v kanadskom Kingstone.


09. 03. 2016 12.17 hod.
Od: Jozef Masarik

Pozorovanie neutrínových oscilácií predstavuje začiatok novej éry v neutrínovej fyzike a znamená značný pokrok v poznaní základných vlastností neutrín, týchto záhadných častíc, o ktorých vieme zatiaľ veľmi málo. Z objavu neutrínových oscilácií jednoznačne vyplýva, že neutrína majú hmotnosť a menia svoju identitu pri putovaní v priestore. Malé hmotnosti neutrín menia našu predstavu o vesmíre a sú predmetom intenzívneho záujmu vo viacerých vedeckých oblastiach, napr. astročasticovej, časticovej, jadrovej fyziky a kozmológie. 

Záhadné neutrína 

Neutrína sú záhadou, a to napriek tomu, že patria medzi najrozšírenejšie elementárne častice vo vesmíre. Sú podstatne ľahšie ako napríklad elektrón, protón a neutrón. Užívajú si voľnosť, t. j. nevytvárajú viazané stavy na rozdiel od kvarkov, ktoré existujú len vo viazaných 2- (napr. pión a kaón) a 3-kvarkových (napr. protón a neutrón) stavoch. Neutrína vznikli na začiatku vesmíru ešte pred uplynutím prvej sekundy jeho exitencie a vznikajú doposiaľ vo hviezdach v dôsledku termojadrových procesov (napr. pri zlučovaní vodíka na hélium), pri výbuchu supernov - teda pri zániku hviezd (elektrón v reakcii s protónom sa mení na neutrón a elektrónové antineutríno, ktoré unáša energiu a letí vesmírom), pri interakcii kozmického žiarenia s našou atmosférou (napr. vysokoenergetické kozmické protóny sú zabrzdené molekulami atmosféry a vznikajú elementárne častice pióny a kaóny, ktoré sa rozpadajú neutrínovými kanálmi), na základe rovnakého princípu na urýchľovačoch protónov, ako aj v dôsledku štiepnych procesov ťažkých jadier v reaktoroch, na základe prirodzenej rádioaktivity jadier vnútri Zeme či pri ďalších procesoch vo vesmíre. Naše telo obsahuje asi 20 mg izotopu draslíka s atómovým číslom A = 40, ktorý sa rozpadá procesmi s emisiou neutrín a jeho dôsledkom je, že každý z nás emituje asi 340 miliónov neutrín za deň. Podľa teórie veľkého tresku kozmologické neutrína tvoria jeden z najpočetnejších komponentov vesmíru. V jednom cm3 sa nachádza 336 neutrín. Svojím počtom prevyšujú stavebné kamene obyčajnej hmoty (elektróny, protóny, neutróny) viac ako miliónkrát. Experimentálne potvrdenie tohto dôležitého údaju zatiaľ nie je možné, keďže chýbajú technológie na registráciu neutrín s veľmi malou energiou. Nevyvrátiteľným faktom je, že každú sekundu tisícky miliónov slnečných neutrín prelietava cez nás rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla bez toho, aby sme o tom vedeli. Neutrína komunikujú s ostatnou hmotou veľmi slabo. Pravdepodobnosť, že kozmické neutríno interaguje s ľudským telom, je raz za 70 rokov.

Identity neutrín 

V rámci Štandardného modelu fyziky elementárnych častíc, ktorý bol skompletizovaný objavom božskej častice - Higgsovho bozónu, rozlišujeme tri identity (arómy, resp. generácie) neutrín, a síce elektrónové neutríno, miónové neutríno a ? neutríno - pomenované podľa častíc, ktoré ich vznik sprevádzajú (obr. 1). V nízkoenergetických jadrových procesoch na Slnku, vnútri a na povrchu Zeme, v reaktoroch vznikajú elektrónové neutrína. Miónové neutrína sú produkované pri vyšších energiách v zrážkach kozmických častíc s atmosférou Zeme. Zväzky miónových neutrín možno pripraviť aj v laboratóriách pomocou urýchľovačov protónov. Existencia tau neutrín sa potvrdila v experimente realizovanom v urýchľovači vo Fermilabe v roku 1997 a nedávno aj v experimente OPERA v dôsledku oscilácií miónových neutrín nasmerovaných z CERN-u približne do 730 km vzdialeného podzemného laboratória v Gran Sasso. 

Možnosť existencie neutrína predpovedal pred 85 rokmi Wolfang Pauli ako riešenie, ktoré umožnilo potvrdiť zákon zachovania energie v beta premenách jadier. Jeho prvotný názov bol neutrón, ale skoro po objave neutrónu ho Enrico Fermi pokrstil na ,,piccolo neutron", t. j. neutrino. Wolfgang Pauli predpokladal, že daná častica nebude nikdy pozorovaná, pretože dáva o sebe vedieť veľmi slabo, s ostatnou hmotou takmer neinteraguje. Mýlil sa. Ešte počas jeho života v roku 1956 Frederick Reines a Clyde Cowan potvrdili jeho existenciu registrovaním antineutrín unikajúcich z reaktora. Napriek tomu, že od danej udalosti uplynulo približne 70 rokov, doposiaľ nepoznáme základné fyzikálne vlastnosti neutrín, ktorou je napríklad hmotnosť. Nevieme teda, koľko vážia. Je to dané tým, že k zaznamenaniu neutrín je potrebné budovať obrovské sofistikované detektory umiestnené mimo vplyvu nežiaducich signálov (obr. 2).

4 Nobelove ceny za neutrína 

Minuloročná Nobelova cena za objav oscilácií neutrín je v poradí už štvrtá z oblasti neutrínovej fyziky a očakáva sa, že zrejme nebude posledná. Predošlé Nobelove ceny boli udelené za objav elektrónového neutrína majúceho pôvod v jadrovom reaktore (objav v roku 1956, Nobelova cena udelená Fredericovi Reinesovi v roku 1995), objav miónového neutrína v urýchľovači v Brookhavene (objav v roku 1962, Nobelova cena udelená Leonovi Ledermanovi, Melvinovi Schwartzovi a Jackovi Steinbergerovi v roku 1988) a pozorovanie slnečných neutrín v roku 1967, ako aj neutrín sprevádzajúcich výbuch supernovy 1987A v susednej trpasličej galaxii v roku 1987 (Nobelova cena udelená Raymondovi Davisovi a Masatoshi Koshibe v roku 2002). Posledné dva objavy potvrdili teoretické predpoklady, že Slnko, a teda aj hviezdy, svietia kvôli tam prebiehajúcim jadrovým reakciám, až kým nedohorí ich jadrové palivo a nenastane kolaps a premena hviezdy na bieleho trpaslíka, neutrónovú hviezdu alebo čiernu dieru, čo závisí od hmotnosti hviezdy. Dokázalo sa to dlhodobou registráciou neutrín, ktoré vznikli v ?-premenách jadier na Slnku a prileteli k nám zo vzdialenosti 150 miliónov km. Pri výbuchu supernovy 1987A, ktorý trval približne 10 sekúnd, vzniklo približne 1058 neutrín v procese premeny elektróna s protónom na neutrón a elektrónové neutríno. Z nich po absolvovaní vzdialenosti 168-tisíc svetelných rokov bolo 24 zaregistrovaných v 3 detektoroch umiestnených v podzemných laboratóriách. Záhadou zostáva 5 neutrín zaregistrovaných v inom detektore o pár hodín skôr, čo môže súvisieť s procesmi vzniku supernovy, ktoré nevieme doposiaľ dôveryhodne teoreticky opísať. V nasledujúcej časti sa budeme zaoberať fenoménom neutrínových oscilácií, ako aj budúcnosťou neutrínovej fyziky. Možno povedať, že sme ešte len na začiatku fascinujúcej cesty vo výskume neutrín. 

Slovníček pojmov 

FUNDAMENTÁLNE INTERAKCIE: V prírode rozlišujeme 4 typy fundamentálnych interakcií, a síce gravitačné, slabé, elektromagnetické a silné. Sily týchto interakcií sú v pomere 10-36/10-7/1/20. Neutrína komunikujú s ostatnou hmotou prostredníctvom slabých a gravitačných interakcií, t. j. veľmi slabo.

ATÓMOVÉ JADRO: Je to malý objekt s priemerom 2-15 10-15 m (od protóna až po urán) a s vysokou hustotou, približne 1014 väčšou v porovnaní s hustotou vody, ktorý je tvorený Z protónmi aN neutrónmi. Počet protónov Z určuje náboj jadra v jednotkách absolútnej hodnoty náboja elektrónu e. Jadrá s rovnakým atómovým číslom A = Z + Na rôznym N, až na to najstabilnejšie, podliehajú B-premene, pri ktorej sa náboj jadra zmení o ?e. Atómové jadro predstavuje laboratórium pre štúdium silných, elektromagnetických a slabých interakcií.

 ŠTANDARDNÝ MODEL FYZIKY ČASTÍC: Je to teória slabých, elektromagnetických a silných interakcií potvrdená obrovským množstvom pozorovaní a preverená až do oblastí energií 107 väčších v porovnaní s pokojovou energiou elektrónu (E = mec2). Na takúto energiu sú urýchlené protóny na kolajderi LHC v CERN-e. Stojí za to spomenúť, že vo fyzike sa diskutuje aj o faktor 1015 vyššia energetická škála, tzv. Planckova škála, v ktorej dominujú kvantové gravitačné efekty. Základnými objektmi v Štandardnom modeli sú 3 generácie kvarkov (protón a neutrón sú tvorené 3 kvarkami) a leptónov (napr. elektrón a neutríno), častice sprostredkujúce interakcie - gluón (silnú int.),WaZ bozóny (slabú int.), fotón (elektromagnetickú int.), ako aj častica Higgsa zodpovedná za generáciu hmotností kvarkov a leptónov s výnimkou neutrín. Hmotnosť neutrín v Štandardnom modeli je nulová.

LEPTÓNY: Rozlišujeme leptóny nesúce jednotkový náboj e - elektrón, mión a tau leptón (e, ? a ? neutrálne leptóny, ktorými sú elektrónové, miónové a tau neutrína (ve,v?a v?). Mión sa odlišuje od elektrónu len hmotnosťou, ktorá je 207-krát väčšia a tým, že je nestabilný. Rozpadá sa v čisto leptónovom procese, v ktorom vzniká miónové neutríno, elektrón a elektrónové antineutríno. Hmotnosť ? leptónu sa rovná približne hmotnosti 3 477 elektrónov. ? leptón sa rozpadá rôznymi leptónovými a neleptónovými kanálmi so súčasnou produkciou ? neutrína. Elektrón, mión a ? leptón majú svoju antičasticu s opačným elektrickým nábojom, napr. pri elektróne je to pozitrón. Neutrína sú častice bez elektrického náboja, a preto rozlišujeme 2 možnosti: i) neutríno a antineutríno sú rôzne častice - označujeme ich ako dirakovské častice; ii) neutríno je samo osebe antičasticou, t. j. sú majoranovské častice. Ktorá z týchto možností je správna, nevieme.

PRODUKCIA NEUTRÍN: Neutrína vstupujú do reakcií s ostatnou hmotou, a síce elementárnymi časticami a jadrami, vždy v páre so svojím leptónom. Napríklad v samovoľných ß-premenách jadier vzniká elektrónové antineutríno (neutríno) spolu s elektrónom (pozitrónom). ß-premeny jadier môžu byť vyvolané prúdmi neutrín a antineutrín na vstupe a zodpovedajúcim leptónom na výstupe z jadrovej reakcie. Uvedená jadrová reakcia sa často využíva na ich detekciu. V procese zrážky protóna s hmotou vznikajú elementárne častice pióny a kaóny, ktoré sú tvorené dvoma viazanými kvarkami, a rozpadajú sa hlavne na mión a miónové antineutríno. Realizácia tohto procesu prebieha pri energiách 100 - 1 000-krát vyšších v porovnaní s typickou energiou, ktorá sa uvoľní v samovoľných rozpadoch atómových jadier. Vo vesmíre vznikajú hlavne elektrónové a miónové neutrína, resp. antineutrín

Výskum neutrín na Slovensku

Na Slovensku má výskum v oblasti fyziky neutrín zastúpenie na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Teoretický výskum sa sústreďuje na jadrové procesy, ktoré umožňujú určiť fundamentálne vlastnosti neutrín a fundamentálne symetrie prírody, využívajúc atómové jadro ako laboratórium. Experimentálny výskum má svoje zastúpenie v medzinárodných experimentoch NEMO3/SuperNEMO, ktorých cieľom je určenie podstaty neutrín, v pripravovanom experimente Baikal GVD, ktorý bude hľadať extragalaktické neutrína, a v experimente ECHO, ktorého cieľom je určenie absolútnej hmotnosti neutrín pomocou záchytu atómových elektrónov jadrom holmia. V daných oblastiach výskumu FMFI UK úspešne spolupracuje so SÚJV v Dubne, kde neutrínová fyzika patrí medzi hlavné ciele výskumu, s ČTÚ v Prahe a mnohými ďalšími poprednými vedeckými pracoviskami vo svete. Minulý rok FMFI UK v Bratislave spolu so SÚJV Dubna, s Karlovou univerzitou v Prahe a Českým vysokým učením technickým v Prahe zorganizovala ,,Medzinárodnú letnú školu Bruna Pontecorva v oblasti fyziky neutrín" v Hornom Smokovci. Táto škola bola prvá, ktorá sa z daného cyklu letných škôl uskutočnila na Slovensku.