Kolik váží neutrino

Tak nejdřív - co je to neutrino? Je to jedna ze "záhadných" částic. A proč je záhadná? Jednak proto, že byla předpovězena dlouho předtím než byla nalezena. A za druhé - dodnes nejsou její vlastnosti známy tak, jak by je fyzikové rádi znali.

K tomu prvnímu: převážná většina (ne-li všechny) elementární částice byly pozorovány, a poté byly pojmenovány a byly prozkoumány jejich vlastnosti. Vezměme např. proton - základní kámen atomového jádra. I když indicie, že nějaká taková částice exituje, byly známy již v roce 1911, byl pozorován novozélandským fyzikem E. Rutherfordem (jako jádro vodíku, vyletující při bombardování atomových jader některých prvků částicemi alfa) v roce 1919 a byl pojmenován proton.

Nebo neutron - druhý základní kámen jádra. Ten byl v roce 1936 objeven anglickým fyzikem J. Chadwickem jako částice, která tvoří intenzivní (do té doby neznámé) záření, vznikající při bombardování jádra berylia částicemi alfa. A tak bychom mohli pokračovat.

Naproti tomu neutrino bylo zavedeno víceméně z nouze. Při tzv. rozpadu beta, kdy se jeden neutron v atomovém jádře změní na proton a přitom z něj vyletí jeden elektron, by energie tohoto elektronu měla být vždy stejná - rovná rozdílu hmot mateřského a dceřiného jádra. Tak tomu ale není - elektron vylétá vždy s jinou energií, mezi nulou a právě tím rozdílem. Tento nezvratný experimentální fakt hrozil tím, že zákon zachování energie - ten nejzákladnější zákon fyziky - neplatí. Proto švýcarský fyzik Wolfgang Pauli přišel v roce 1930 s návrhem, že při tomto rozpadu vylétá nejen elektron, ale i další částice, která je elektricky neutrální a prakticky s ničím neinteraguje, a proto ji téměř nelze detekovat. Pauli tuto domněnku poprvé napsal v dopise poslaném na setkání fyziků v Tuebingen, kterého se nemohl osobně zúčastnit. Sám tento návrh nazval "zoufalý prostředek" (desperate remedy). Nicméně se ukázalo, že měl pravdu. A to přesto, že na experimentální důkaz si jeho domněnka musela počkat ještě 26 let. V roce 1956 američtí fyzikové Raines a Cowan poprvé pozorovali několik případů tzv. obráceného rozpadu beta, tj. přeměny protonu na neutron, která je vyvolána interakcí s (anti)neutriny vzniklými v jaderném reaktoru. Hned po vyhodnocení experimentu poslali Paulimu, který působil na univerzitě v Zurichu, tento telegram: "We are happy to inform you that we have definitely detected neutrinos from fission fragments by observing inverse beta decay of protons. Observed cross section agrees well with the expected six times ten to minus forty four square centimeters." (S radostí Vám oznamujeme, že jsme skutečně prokázali neutrina z rozpadových produktů pozorováním inverzního beta rozpadu protonů. Zjištěný účinný průřez dobře souhlasí s očekávanou hodnotou šest krát deset na minus čtyřicátoučtvrtou čtverečního centimetru.)

Tak byla existence neutrina jednoznačně prokázána. Nicméně jeho vlastnosti byly stále neznámé. I když dnes o neutrinu víme mnohem více než v době důkazu jeho existence, stále nevíme, jak je "těžké" - jinými slovy, neznáme jeho klidovou hmotu. Přitom tato otázka má zásadní význam.

V prvních představách bylo neutrino nehmotné - tzn., že jeho klidová hmota je nulová, jako u částice světla (fotonu). Na základě této hypotézy byl vytvořen tzv. standardní model elektroslabých interakcí, který skutečně dokázal vysvětlit mimo jiné i většinu vlastností neutrina. Nicméně stále zůstavalo několik věcí, které byly v rozporu s pozorováními. Jedním (a zřejmě nejdůležitějším) z nich byl tak zvaný nedostatek slunečních neutrin. Podle představ o procesech, které probíhají ve Slunci (a samozřejmě i v jiných hvězdách), by mělo vznikat jisté množství neutrin, z nichž část by méla být - při dnes exitující technice - detekovatená na Zemi. Nicméně všechny experimenty, které byly věnovány neutrinům, zjistily jen asi jednu třetinu tohoto množství. Je jasné, že toto "nedalo fyzikům spát".

Abychom mohli pokračovat, je nutné se trochu zmínit o teorii. (Předem podotýkám, že všechno, co bude řečeno dále, je nutně velmi zjednodušené. Podrobný výklad je námět na knihu, ne na popularizační článek. Doporučuji např. právě vydanou knihu profesora J. Hořejšího "Fundamentals of Electroweak Theory", Karolinum Press, Praha, 2003.) Neutrina totiž vznikají nejen při výše zmíněném rozpadu beta. Tam vznikají jen tzv. elektronová neutrina. Nicméně ukázalo se, že neutrina vznikají i při interakcích jiných částic - konkrétně tzv. mionu a tauonu. Bez dalších podrobností uveďme to, že jde o jiná neutrina, než ta, o kterých se mluvilo doposud (i když mají hodně společného). A kvantová mechanika - to je oblast fyziky, která popisuje chování elementárních částic - povoluje, aby se za určitých podmínek některé částice zjednodušeně řečeno samovolně měnily na jiné. V našem případě mluvíme o neutrinových oscilacích. (Takže některá elektronová neutrina, vzniklá ve Slunci, se mohou po cestě k Zemi přeměnit na mionová či tauonová, která experimenty neregistrovaly, a o nedostatek slunečních neutrin bylo postaráno.) A tyto oscilace nemohou nastat, pokud není klidová hmota aspoň jednoho z neutrin nenulová.

Zbývalo tedy zjistit, jestli oscilace probíhají či nikoliv. Na toto zjištění jsme si museli opět počkat dost dlouho - až do roku 1998. Experiment Super-Kamiokande je prokázal. V roce 2002 byl tento efekt potvrzen v Sudbury Neutrino Observatory. Velice nedávno, v prosinci 2002, se oscilace prokázaly i pro antineutrina (experiment KamLAND).

Nikdo již dnes nepochybuje, že hmota neutrin je nenulová. Nikdo ovšem také neví, jaká opravdu je. Je známa pouze její horní hranice. Hmota elektronového neutrina je podle posledních výsledků kinematických (a tedy modelově nezávislých) experimentů v Troicku (Rusko) a v Mainzu (Německo) - založených na rozpadu beta tricia - je 2.2 eV.

Počátkem tohoto roku byly publikovány výsledky měření kosmické sondy WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), která - jak již název naznačuje - studuje kosmické mikrovlné záření. Tyto výsledky, kombinovány s výsledky jiných experimentů, naznačují, že součet hmot všech tří neutrin by měl být menší než 1 eV. To znamená, že hmota elektronového neutrina by měla být v řádu nejvýše desetin elektronvoltu. Je však nutno mít na paměti, že tyto výsledky modelově nezávislé nejsou; naopak jsou založeny na předpokladu platnosti kosmologických modelů.

Dále je hmota neutrina hledána v experimentech na tzv. bezneutrinový dvojný rozpad beta. Tento přístup však trpí jistým nedostatkem: není měřena hmota neutrina, nýbrž veličina poněkud jiná (pro podrobnosti viz např. již zmiňovanou knihu profesora Hořejšího). Hmota neutrina je pak počítána s využitím jaderných modelů, což do výsledku vnáší jistou neurčitost. Nejnovější hodnota hmoty neutrina udávaná jako výsledek těchto experimentů je 0.05 - 0.84 eV. Tento výsledek však není všeobecně přijat.

V současné době se připravuje další mezinárodní experiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment). Jde opět o kinematický experiment - měření tvaru spektra beta rozpadu tricia. Jde o společný projekt fyziků z Německa, USA, Ruska a Česka, následně se připojili i fyzikové z Anglie. Původním cílem bylo snížit horní hranici pro hmotu neutrina na 0.35 eV. Ve světle výše uvedených výsledků WMAP se nyní hledají cesty, jak zlepšit očekávanou citlivost KATRIN pod tuto hranici a dosáhnout horního limitu hmoty 0.20 eV. Experimentální zařízení (tzv. integrální elektronový spektrometr o průměru skoro 10 m a délce 20 m) je ve výstavbě a první měření se předpokládá v roce 2007. Dvakrát ročně se konají setkání všech (nebo aspoň převážné většiny) pracovníků projektu, na kterých se hodnotí postup prací a řeší se vědecké i technické problémy, kterých je při tak rozsáhlém projektu vždy dost.

Miloš Ryšavý

zpět na úvodní stránku