Neutrino

Rozbalit box

Obsah boxu

Neutrino (z italského neutrone – neutron + -ino – zdrobňující koncovka, tedy „malý neutrální“) je elementární fermionová částice s nulovým elektrickým nábojem, spinem 1/2 a velmi malou, avšak nenulovou hmotností. Neutrina jsou součástí Standardního modelu částicové fyziky a řadí se mezi leptony. Mají schopnost procházet obrovským množstvím hmoty bez interakce, což z nich činí jedny z nejzáhadnějších a nejobtížněji detekovatelných částic ve vesmíru. Jejich existence byla poprvé navržena v roce 1930 Wolfgangem Paulim a experimentálně potvrzena v roce 1956.

🔭 Objev a historie

Koncept neutrina byl poprvé představen v roce 1930 Wolfgangem Paulim, aby vysvětlil zdánlivou ztrátu energie a hybnosti při beta rozpadu jader atomů. V té době se zdálo, že energie produktů beta rozpadu není konstantní, což by porušovalo zákon zachování energie. Pauli navrhl existenci dosud neznámé, neutrální a velmi lehké částice, která by odnášela chybějící energii a hybnost.

Jméno „neutrino“ bylo navrženo Enricem Fermim v roce 1932, který také vyvinul teorii beta rozpadu zahrnující neutrino. První experimentální detekce neutrin proběhla až v roce 1956 Clydem Cowanem a Frederickem Reinesem v Savannah River Site v Jižní Karolíně v USA. Jejich experiment, známý jako Cowan-Reines neutrino experiment, detekoval antineutrina produkovaná jaderným reaktorem.

V následujících desetiletích byly objeveny další typy neutrin a v 60. letech 20. století se objevila záhada slunečních neutrin, kdy detekovaný počet neutrin ze Slunce byl výrazně nižší než předpokládaný. Tato záhada byla vyřešena objevem neutrinových oscilací v 90. letech.

⚛️ Vlastnosti neutrin

Neutrina jsou charakteristická svými unikátními vlastnostmi:

Elektrický náboj: Neutrina nemají žádný elektrický náboj, což znamená, že nereagují na elektromagnetickou interakci. To je důvod, proč je tak obtížné je detekovat a proč procházejí hmotou bez interakce.
Spin: Stejně jako elektrony a kvarky mají neutrina spin 1/2 a jsou tedy fermiony.
Hmotnost: Až do konce 90. let 20. století se předpokládalo, že neutrina mají nulovou klidovou hmotnost. Objev neutrinových oscilací však prokázal, že musí mít nenulovou, i když velmi malou hmotnost. Přesná hodnota hmotnosti neutrin je stále předmětem intenzivního výzkumu, ale je známo, že je o mnoho řádů menší než hmotnost elektronu.
Interakce: Neutrina interagují pouze prostřednictvím slabé interakce a gravitační interakce. Slabá interakce je zodpovědná za radioaktivní rozpady, včetně beta rozpadu, při kterém se neutrina produkují. Gravitační interakce je sice univerzální, ale v případě takto lehkých částic je extrémně slabá a zanedbatelná.

🧪 Typy neutrin

Standardní model částicové fyziky rozlišuje tři typy, neboli příchutě neutrin, které odpovídají třem nabitým leptonům:

Elektronové neutrino (ν_e): Je spojeno s elektronem a elektronovým antineutrinem při beta rozpadu.
Mionové neutrino (ν_μ): Je spojeno s mionem.
Tau neutrino (ν_τ): Je spojeno s tauonem (také nazývaným tau lepton).

Každá z těchto příchutí má také svou odpovídající antičástici, tedy elektronové antineutrino, mionové antineutrino a tau antineutrino.

🌌 Zdroje neutrin

Neutrina vznikají v široké škále astrofyzikálních a pozemských procesů:

Slunce a hvězdy: Nejvýznamnějším přírodním zdrojem neutrin na Zemi jsou jaderné fúze probíhající v jádru Slunce a dalších hvězd. Tyto sluneční neutrina nám poskytují přímý pohled do nitra hvězd.
Supernovy: Při výbuchu supernovy se uvolňuje obrovské množství neutrin. Detekce neutrin ze supernovy 1987A byla klíčovým momentem v neutrinové astronomii.
Jaderné reaktory: Jaderné reaktory produkují antineutrina jako vedlejší produkt jaderného štěpení atomových jader. Tyto reaktorové antineutrina jsou využívána pro studium neutrinových oscilací.
Zemská kůra: Zemská kůra obsahuje radioaktivní prvky (např. uran, thorium), které se rozpadají a produkují tzv. geoneutrina. Jejich studium pomáhá pochopit složení a procesy uvnitř Země.
Kosmické záření: Při interakci kosmického záření s atmosférou Země vznikají tzv. atmosférická neutrina.
Velký třesk: Předpokládá se, že Velký třesk zanechal ve vesmíru pozadí reliktních neutrin, podobně jako reliktní záření.

🔬 Detekce neutrin

Detekce neutrin je extrémně náročná kvůli jejich slabé interakci s hmotou. Většina neutrin prochází Zemí bez jakékoli interakce. Detektory neutrin jsou proto obvykle obrovské, umístěné hluboko pod zemí (aby se minimalizoval vliv kosmického záření) a využívají různé principy:

Cowan-Reines experiment: Původní experiment využíval reakci antineutrina s protonem, při které vzniká neutron a pozitron. Pozitron anihiluje s elektronem a vytvoří gama záření, které je detekováno.
Čerenkovovo záření: Mnoho moderních detektorů, jako je Super-Kamiokande v Japonsku nebo IceCube na Antarktidě, využívá detekci Čerenkovova záření. Když neutrino interaguje s atomovým jádrem nebo elektronem ve vodě nebo ledu, vzniklá nabitá částice se pohybuje rychleji než světlo v daném prostředí a emituje charakteristické modré světlo.
Scintilátory: Jiné detektory používají speciální kapalné scintilátory, které emitují světlo při interakci s neutrinem. Příkladem je experiment Borexino v Itálii.
Radiochemické detektory: Tyto detektory měří radioaktivní izotopy vzniklé interakcí neutrin s určitými materiály, jako je chlór nebo galium. Příkladem je experiment Homestake nebo GALLEX.

Mezi nejvýznamnější neutrinové experimenty a observatoře patří:

Super-Kamiokande (Japonsko): Obrovský vodní Čerenkovův detektor pro studium slunečních, atmosférických a reaktorových neutrin.
IceCube (Antarktida): Detektor v ledu, který hledá vysokoenergetická kosmická neutrina.
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) (Kanada): Detektor využívající těžkou vodu, klíčový pro řešení záhady slunečních neutrin.
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) (USA): Budoucí experiment pro studium neutrinových oscilací a hledání CP narušení u leptonů.
JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) (Čína): Budoucí detektor pro přesné měření neutrinových oscilačních parametrů.

🌠 Neutrinová oscilace

Jedním z nejvýznamnějších objevů v neutrinové fyzice v posledních desetiletích je fenomén neutrinových oscilací. Tento jev znamená, že neutrina se během svého letu mohou měnit z jedné příchuti (elektronové, mionové, tau) na jinou. Objev neutrinových oscilací v 90. letech a na počátku 21. století (za který byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 2015 Takaaki Kajitovi a Arthuru B. McDonaldovi) prokázal, že neutrina musí mít nenulovou klidovou hmotnost. To je v rozporu s původním Standardním modelem, který předpokládal nulovou hmotnost neutrin, a proto je neutrinová oscilace považována za důkaz existence „nové fyziky“ za hranicemi Standardního modelu.

Studium neutrinových oscilací pomáhá určit rozdíly v hmotnostech mezi jednotlivými příchutěmi neutrin a otevřelo nové otázky ohledně hierarchie hmotností neutrin a zda jsou neutrina Majoranovy nebo Diracovy částice.

💡 Význam a aplikace

Studium neutrin má dalekosáhlý význam pro částicovou fyziku, astrofyziku a kosmologie:

Standardní model: Neutrina jsou základní součástí Standardního modelu, a jejich vlastnosti, zejména hmotnost a oscilace, poskytují klíčové informace pro jeho rozšíření a pochopení základních přírodních sil.
Astrofyzika: Neutrina jsou unikátními posly z nejextrémnějších a nejvzdálenějších koutů vesmíru. Poskytují přímý pohled do nitra Slunce, do procesů probíhajících při výbuchu supernov a do raných fází vesmíru. Jsou klíčové pro tzv. neutrinovou astronomii.
Kosmologie: Reliktní neutrina z Velkého třesku mohou hrát roli v evoluci vesmíru a ovlivňovat rozložení hmoty. Jejich studium pomáhá upřesnit kosmologické modely.
Hledání nové fyziky: Neutrinová oscilace je jasným důkazem, že Standardní model není kompletní. Další výzkum neutrin může odhalit nové částice nebo interakce.
Geofyzika: Studium geoneutrin poskytuje informace o složení a tepelné bilanci zemského jádra a pláště.
Vojenské aplikace: Vzhledem k tomu, že neutrina vznikají při jaderném štěpení, existují teoretické možnosti využití detekce neutrin pro monitorování jaderných reaktorů a nešíření jaderných zbraní.

👶 Pro laiky

Představte si neutrino jako neviditelného ducha, který dokáže projít téměř čímkoliv, aniž by si ho někdo všiml. Je to jako miniaturní kulička, která je tak malá a tak málo s něčím reaguje, že dokáže proletět i celou Zemí od jednoho konce k druhému, aniž by se srazila s jediným atomem.

Tyto "duchy" vznikají třeba uvnitř Slunce, když se tam spojují atomy a vytváří energii. Miliardy neutrin z našeho Slunce právě teď prolétají vaším tělem každou sekundu, aniž byste cokoli cítili. Vědci je ale umí chytat pomocí obrovských detektorů, které jsou často schované hluboko pod zemí. Je to jako snažit se chytit velmi plachou rybu v obrovském oceánu.

Největší překvapení přišlo, když vědci zjistili, že tito "duchové" umí měnit svou podobu, jako by se chameleon měnil barvu. Říkáme tomu neutrinová oscilace. A to je důkaz, že mají maličkou, ale přece jenom nějakou hmotnost, i když si to dříve nemysleli. Díky studiu neutrin můžeme lépe rozumět, jak funguje Slunce, co se děje při výbuších obrovských hvězd a jak vznikl celý náš vesmír.

Zdroje