Student World

Jak oznámila švédská Královská akademie věd, sto prvními laureáty Nobelovy ceny za fyziku se stali Američan Raymond Davis, Japonec Masatoši Košiba a Ital Riccardo Giacconi, všichni za významné příspěvky v oblasti astrofyziky. Polovina ceny patří dvojici Raymondu Davisovi z Pensylvánské univerzity ve Filadelfii a Masatošimu Košibovi z Tokijské univerzity, a to za detekci neutrin. Byli to právě oni, kdo nesporně dokázali existenci těchto zvláštních částic vznikajících při termonukleární reakci v nitru hvězd.

1. Zrodil se „neutronek“
Historie neutrina je ovšem komplikovanější. Domněnku o existenci této elementární částice vyslovil již v roce 1931 rakouský fyzik Wolfgang Pauli, jeden z významných tvůrců kvantové mechaniky. Bylo to v souvislosti se snahou vysvětlit radioaktivitu beta, při níž docházelo k podivnému jevu, označovanému mezi atomovými fyziky jako „energetická krize“. Při beta rozpadu se atomové jádro rozpadá na jiné, lehčí jádro a elektron. Podle zákona o zachování energie by se přitom měla energie rozdělovat mezi dceřiné jádro a elektron ve stejném poměru, ale k tomu nedochází. Elektrony vycházejí z reakce oslabené o zlomek energie, která se kamsi ztrácí. Pauli byl přesvědčen, že tato energie má podobu nedetekované, elektricky neutrální částice s polovičním spinem a nesmírně malou hmotností.
Pauli ji původně kvůli nulovému náboji nazval „neutron“. Ale tohle pojmenování si přisvojila elektricky neutrální částice, kterou rok po Pauliho přednášce v Pasadeně objevil britský fyzik James Chadwick. Něco ale stále neštymovalo, Chadwickova částice, dnes všem známý neutron, se chovala jinak, než předvídal Pauli, a navíc byla mnohokrát hmotnější. Když se italského fyzika Enrika Fermiho, který teorii svého rakouského kolegy rozpracoval, zeptali, jestli je Chadwickova částice tou, kterou předpovídal Pauli, odpověděl: „Nikoli, Pauliho neutron je mnohem menší. Je to takové neutrino!“ Tak se zrodil název neutrino, což můžeme přeložit jako „neutronek“. Tohle roztomilé pojmenování se ujalo.

2. Projekt „Poltergeist“
Fermi nejenže vymyslel pro novou částici název, ale vypracoval v souladu s existencí neutrina teorii radioaktivity beta. Ta přispěla k pochopení jedné z fundamentálních sil přírody, slabé jaderné síly neboli slabé interakce, jež způsobuje, že jsou některá atomová jádra nestabilní.
Dlouhou dobu bylo ovšem neutrino značně problematickou, ba přímo podivuhodnou částicí. Jeho existence byla sice v souladu s Fermiho brilantními teoretickými výpočty, to ano, ale exaktně ji dokázat se zdálo takřka nemožné. Dlouhou dobu neexistoval žádný způsob, jak je zachytit. Nemá totiž elektrický náboj a jeho hmotnost – pokud vůbec nějakou má – je tak malá, že může proletět bez jediné srážky celým vesmírem.
Poprvé se o důkaz existence neutrin s jistým úspěchem pokusili američtí fyzikové Clyde Cowan a Fred Reines. Šli na to tak, že obrovským množstvím neutrin – za předpokladu, že existují – bombardovali rozměrné nádrže s vodou. Předpokládali, že pokud neutrina vskutku existují, alespoň malý zlomek z nich se ve vodě zachytí. Oba fyzikové pracovali v průběhu války v Los Alamos na konstrukci atomové bomby. Nejprve zkoušeli detekovat neutrina při pokusném výbuchu jaderné bomby, ale tento pokus byl bezúspěšný.
Jak zachytit tuhle nicotou částečku? Cowan a Reines pokračovali ve své snaze „zachytit“ neutrino i po válce. Svůj projekt nazvali „Poltergeist“. Před jaderný reaktor nechali rozestavět obrovské nádrže s několika tunami roztoku obsahujícího kadmium. Po řadě pokusů pomocí Geigerova-Müllerova počítače zpozorovali signály, které svědčily o srážkách neutrin. Protože si ale nebyli jisti, opakovali svůj experiment o dva roky později s ještě větším detektorem a u silnějšího reaktoru. Desetitunový detektor zde dokázal zychtit v průměru tři neutrina za hodinu, což byl obrovský úspěch. V roce 1956 tedy mohli Cowan s Reinesem vědeckému světu oznámit, že existence neutrin byla prokázána. Šlo ovšem pouze o zachycení neutrin připravených v „laboratorních“ podmínkách.

3. Zachycení solárních neutrin
Ukázalo se, že to byl teprve první krok k odhalení záhady neutrin. V 60. letech bylo už jakž takž jasné, jaké pochody se odehrávají v nitru hvězd, tedy i ve Slunci. Bylo nasnadě, že při těchto termonukleárních reakcích, při nichž dochází k přeměně vodíku na helium, se uvolňuje obrovské množství neutrin.
Zůstávalo ale problémem, jak je zachytit. Nikdo nepochyboval o tom, že neutrina díky své elektrické neutralitě zachovávají směr letu od svého zdroje, nicméně bylo takřka nemožné je přimět k byť nepatrné interakci s jinou hmotou. Zjistilo se, že jejich hmotnost je přibližně třicettisíckrát menší, než je hmotnost elektronu, a že jsou pravděpodobně nejčetnějšími částicemi ve vesmíru. Všechny myslitelné detektory neutrin dlouhou dobu odmítaly přítomnost těchto mrštných částic zaznamenat. Astrofyzikové tušili, že vesmír je vyplněn neutriny v počtu snad až stovek milionů kusů v krychlovém metru (tedy zhruba 109 více než všech ostatních částic dohromady), ale experimentálně to nijak nebyli s to dokázat. Jiří Grygar ve své knize Vesmír, jaký je (1997) poznamenává fascinující skutečnost: kdybychom jedinému neutrinu postavili do cesty ocelovou desku, musela by být tlustá několik tisíc světelných let, aby bylo jisté, že se v ní někde neutrino pohltí a změní na jinou částici.
Přesto se vědci nevzdávali. Jeden z obřích detektorů solárních neutrin sestrojil v 60. letech právě Raymon Davis. Nejdříve byla jeho pozorování bezvýsledná, ale pak ho napadlo umístit detektor dostatečně hluboko pod zem, v hlubinném dole Homestake v Jižní Dakotě, což byla myšlenka, která nakonec přinesla ovoce. Silná vrstva země dokázala zredukovat „šum“ z kosmického záření, zatímco neutrina jí bez problémů prolétla. Čas od času se neutrino v nádrži detektoru srazilo s atomem chloru v takzvané čistící tekutině a proměnilo jej v atom argonu. Ray Davis a jeho spolupracovníci jednou za několik měsíců odčerpávali tuto tekutinu a odfiltrovali argon: podle množství argonu pak určili počet srážek s neutriny a z něj následně celkové množství neutrin, jež prošlo nádrží.
Za třicet let své mravenčí práce se Rayi Davisovi podařilo zachytit na dva tisíce neutrin. Je to úspěch, zvlášť když si uvědomíme, že i tahle důmyslná podzemní „past na neutrina“ zachytí nanejvýš každou triliontou z těchto nicotných částic, která jí prolétne. Nezávisle na něm detekoval neutrina i japonský vědec Masatoši Košiba, který na jiném detektoru Davisovo měření ještě potvrdil.

4. Záhady trvají
Proč ale byl experiment se zachycením neutrin tak důležitý? Davis a Košiba díky své neuvěřitelné trpělivosti při zachytávání hbitých neutrin dokázali, že sluneční energie a potažmo i energie všech hvězd pochází z jaderné fúze. Navíc lze z rychlosti neutrin zjistit s určitou přesností teplotu jádra hvězdy. Co ale zůstává problémem, je jednak množství neutrin, jednak otázka jejich hmotnosti. Sluneční neutrina, uvolněná termonukleární reakcí v jádru naší domovské hvězdy, sice byla díky Davisovi a Košibovi detekována, ale teorie předpovídala více neutrin, než kolik jich zatím vědci monitorují. To zavdalo podnět k nejrůznějším teoriím (např. teorie „studeného Slunce“), nicméně problém dosud není uspokojivě vyřešen. Není totiž jisté, zda nesoulad počtu solárních neutrin zaviňuje chybná astrofyzikální představa o stavbě Slunce, anebo zda jde na vrub nepřesné fyzikální představě o vlastnostech neutrin.
A aby to nebylo tak jednoduché, celou záležitost s malými čipernými „neutronky“ komplikuje ještě fakt, že podle standardního modelu elementárních částic nemáme pouze jeden druh neutrina, ale rovnou tři – elektronové, mionové a tauonové. (Neutrina spolu s elektronem, mionem a částicí tau patří do rodiny tzv. „leptonů“, tedy částic, které neinteragují silně, což znamená, že nemají – na rozdíl od baryonů a mezonů – co dělat se silnými jadernými silami).
Pokud jde o druhý problém – hmotnost neutrina -, ani tahle otázka dosud není uspokojivě rozřešena, i když se rýsují jistá východiska. Už jsme zmínili, že hmota neutrina je asi třicettisíckrát menší než hmota elektronu, přitom elektron, jak ví každý středoškolský student, má velmi malou hmotnost, jen asi 0,510 MeV. Mizivá hmotnost neutrina dělá částicovým fyzikům a astronomům přes všechny pokroky nadále těžkou hlavu. Pauli, který neutrino teoreticky předpověděl, se domníval, že půjde o částici, jejíž klidová hmotnost bude nulová a tudíž pohybující se rychlostí světla.
Pauliho a Fermiho předpoklad, podle kterého jsou neutrina nehmotná, nebyl ale nikdy prokázán. Nadto se teorie přiklánějí k tomu, že určitou, i když pranepatrnou hmotnost neutrina zřejmě mají, zejména elektronové neutrino. A ještě jedna záhada! Není totiž ani vyloučeno, že dochází k takzvané „oscilaci neutrin“, kdy jeden druh neutrina se při cestě ze Slunce na Zem mění v druhý, přičemž mionová neutrina nezachytí ani nejvyspělejší druhy detektorů.
Jednu dobu hrála neutrina ještě jinou významnou roli v partu moderní astrofyziky. Objevily se totiž dohady, že právě tyhle podivuhodné částečky tvoří takzvanou „skrytou hmotu“ (dark matter) galaxií, hmotu, která tvoří značné procento celkové hmoty vesmíru, ale kterou jsme donedávna nebyli s to vůbec zahlédnout. Celý vesmír je vlastně ponořen do skryté hmoty. Protože ale současná pozorování nasvědčují, že ji tvoří spíše baryony (tedy protony a neutrony), můžeme zatím tuto domněnku v souvislosti s neutriny odložit stranou.

5. Bizarní pozorování
Pozorování neutrin, které v sobě skrývají klíč k odhalení nejednoho fyzikálního a kosmologického problému, se přesto stalo prestižní záležitostí astronomie. Laikům připadá nanejvýš bizarní, že se astronomové uchylují do podzemí, aby mohli „sledovat hvězdy“.Tohle nezvyklé pozorování však leckdy přináší cenné údaje.
Příkladem může být detekce neutrin vyzářených při výbuchu supernovy 1987A ve Velkém Magellanově mračnu. Skutečnost, že neutrina, která interagují s jinými částicemi jen velmi slabě a vylétávají z jádra explodující hvězdy dokonce ještě rychleji než fotony, vede k neobvyklému úkazu. Jejich „roj“ byl 23. února 1987 v podzemním detektoru zachycen ještě šest hodin před tím, než astronomové pozorovali světlo hroutící se hvězdy, a to nejen ve Spojených státech, ale i v Japonsku. Japonským obřím podzemním detektorem tehdy prolétl shluk tvořený přibližně deseti triliony neutrin a Masatošimu Košibovi se dvanáct z nich podařilo zachytit.
Dalším pokrokem na tomto poli je vylepšená technologie detektorů neutrin. Začalo se například při jejich konstrukci využívat v čistící kapalině namísto chloru gallium, drahého vzácného kovu. Výroba takového detektoru se sice značně prodraží (stojí až dvacet milionů dolarů), ale zařízení je daleko přesnější. Oba detektory neutrin nové generace jsou umístěny pod horami, jeden ve střední Itálii, druhý na Kavkaze.
Na začátku celého tohoto dobrodružství byla dvojice ze staré gardy atomových fyziků, laureáti Nobelovy ceny z předválečných let Wolfgang Pauli a Enrico Fermi. Na jejich odkaz navázali Raymond Davis a Masatoši Košiba. Z údajů, které jsme zde uvedli, je zřejmé, že Nobelova cena za fyziku za rok 2002 putuje nesporně do správných rukou.

autor Jan Kapoun