Novákoviny

stránky publicisty Jana A. Nováka

Nobelova cena za fyziku: odhalené tajemství neutrin

nofy1Udělování Nobelových cen v úterý pokračovalo oceňováním fyziků. Letos se laureáty nejprestižnější vědecké medaile stal Japonec Takaaki Kajita a Kanaďan Arthur McDonald za práci týkající se subatomových částic neutrin.

 

Ve zdůvodnění nobelovské komise se říká, že letošní cena byla udělena "za objev neutrinových oscilací, z nichž vyplývá, že neutrino má hmotnost." Na první pohled nic, co by mělo vliv na každodenní život - jenže ve skutečnosti jde o objev zásadního významu. Je to pádný důkaz pro neúplnost takzvaného Standardního modelu, teorie, která má ambice vysvětlit podstatu hmoty a všech jevů ve vesmíru.

Právě v tom také spočívá důvod, proč Nobelovy ceny za fyziku představují jakési neoficiální vyvrcholení nobelovského týdne a jejich nositelé se často stávají kultovními postavami, ač jejich práci málokdo rozumí: teoretická fyzika míří k samotným základům vesmíru, do míst, kde mnozí chtějí spatřit samotného Boha, zatímco jiní stejně vroucně doufají, že se tam nic takového nenajde.

 

V oceánu neutrin

"Letošní cena je o změně identity jednoho z nejhojnějších subjektů ve vesmíru," specifikoval práci oceněných Goran Hansson, generální sekretář Královské švédské akademie věd, která ceny uděluje. "Žijeme ve světě neutrin. Každou vteřinu procházejí našimi těly tisíce miliard těchto částic pohybujících se téměř rychlostí světla."

nofy2

 

 

 

obr: Detektor neutrin v kanadském Sudbury

 

 

Neutrino je jednou ze základních částic hmoty, jejíž existenci roku 1930 teoreticky odvodil rakouský fyzik Wolfgang Pauli. Dnes se ví, že existují tři typy neutrin: elektronové, mionové a tau neutrino. Potvrzení existence neutrin však trvalo čtvrt století, protože s ostatními částicemi reaguje jen nerado; dokáže projít třeba celou planetou stejně snadno jako světlo tabulí čirého skla, aniž by po sobě zanechalo stopu. Je tedy velmi těžké sestrojit zařízení pro jejich detekci a zkoumání.

K nejvýznamnějším zařízením, která to umí, toho času patří Sudbury Neutrino Observatory (SNO) v kanadské provincii Ontario a Super-Kamiokande Neutrino Detection Experiment (SK) pod horou Kamioka v japonské prefektuře Gifu. V obou případech jde o obrovské podzemní nádrže ve starých dolech, které masa hornin nad nimi odstiňuje od ostatních druhů záření. Případné srážky neutrin s jádry a elektrony atomů, z nichž se skládá voda, vyvolávají záblesky modravého světla kterému se říká Čerenkovovo záření. Záblesky zaznamenávají tisíce speciálních čidel umístěných v nádržích. Právě na těchto dvou detektorech pracují ocenění fyzikové.

Velkým problémem zkoumání vlastnosti neutrin byla otázka jejich takzvané klidové hmotnosti. Dlouho převládal názor, že je nulová, (měření naznačovala, že musí být více než dvě stě tisíckrát menší než hmotnost elektronu). Přitom právě znalost hmotnosti neutrin by umožnila potvrzení nebo vyvrácení základních fyzikálních teorií. Mezi ně patří i existence temné hmoty, jejíž existencí se vysvětlují dramatické nesrovnalosti mezi teoreticky předpověděnou a skutečnou podobou našeho vesmíru.

Arthur B. McDonald a Takaaki Kajita při svých experimentech na detektorech SNO a SK nezávisle na sobě ale zjistili, že skutečnost je poněkud složitější. Ukázalo se, že neutrina mění svou identitu a musí tedy mít hmotnost. Dva experimenty probíhající nezávisle na sobě na opačných stranách planety tak objevily dosud neznámý jev: oscilaci neutrin. Tím se vysvětlila celá řada záhad, které se vědci desítky let snažili objasnit. A současně se vynořily otázky nové.

 

Zlomový okamžik fyziky

Úkolem detektoru Super-Kamiokande bylo registrovat neutrina, která vznikají v atmosféře při srážce jejích atomů s kosmickým zářením. Nejen ta, která přicházela svrchu, ale i částice ze spodu, které předtím prošly celou Zemí.

nofy3

 

 

obr: Tak se projevuje průlet neutrina v japonském detektoru Super-Kamiokande

 

 

K údivu vědců jich však zaznamenal mnohem méně, než předpokládala teorie, navíc byl i nečekaný poměr mezi neutriny shora a zdola. Vzhledem k tomu, že detektor uměl zaznamenat jen některé typy neutrin, jediným možným vysvětlením bylo, že neutrina se během své poutě napříč planetou změnila z jednoho druhu v jiný.

Kanadský detektor v Sudbury neobsahuje obyčejnou vodu, jako Super-Kamiokande, ale těžkou vodu, v jejíž molekule je místo vodíku deuterium. Je určený především ke zjišťování jednoho typu neutrin (elektronových neutrin) vznikajících při jaderných reakcích ve Slunci - na každý centimetr zemského povrchu jich během vteřiny dopadne víc než 60 miliard. Ostatní dva typy ale od sebe nedokáže odlišit; oznámí pouze celkové množství. Výsledky opět neodpovídaly teorii a daly se vysvětlit pouze tím, že elektronová neutrina se na své dlouhé pouti ze Slunce se měnila v jiné typy.

Z toho mimo jiné vyplývá, že neutrino musí mít klidovou hmotnost. Změny jeho podoby přitom vědci vysvětlují zákony kvantové fyziky, podle nichž částice s určitou energií může mít současně také povahu vlnění s určitou frekvenci. Různé druhy neutrin s odlišnou klidovou hmotnosti tak (zjednodušeně řečeno) reprezentují příslušné vlnění.

Z praktického hlediska poněkud odtažitý a obtížně uchopitelný poznatek nejspíš ve skutečnosti bude mít dramatický dopad na představu o podobě našeho světa. Až dosud jeho povahu popisovala teorie známá jako Standardní model, podle níž jej tvoří dvanáct druhů částic a čtyři typy vztahů mezi nimi.

Standardní model ovšem předpokládal, že neutrina mají nulovou hmotnost. Oceněný objev sice nemusí nutně znamenat pád této představy, naznačuje však, že v nejlepším případě popisuje jen část reality. Většina komentátorů se proto shoduje, že jde o významný zlom v teoretické fyzice.

 

Jan A. Novák

Psáno pro iHned.cz a Hospodářské noviny

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit

 
Free Joomla Templates: by JoomlaShack