Sciencemag.cz
Doporučujeme
Přízračné neutrino bylo definitivně nalezeno, platnost zákona zachování hybnosti se potvrdila i na malých škálách a vysvětlil se tím celý proces beta rozpadu. Neutrino nebylo jen výplodem teoretické abstrakce, ale skutečným a zřetelným elementem přírody: neutrální, přízračná a lehoučká částice schopná odcestovat až do nejzazších koutů vesmíru, aniž by ji u toho někdo zastavil. A s jejím objevem se otevřely i velice lákavé možnosti výzkumu.
Vzápětí samozřejmě kolem neutrin vyvstala řada otázek. Jaké mají vlastnosti? Je jich vícero druhů, nebo jenom jedno? Jsou stabilní, nebo mají omezenou dobu života? V jakých procesech ve vesmíru vznikají? Projekt Poltergeist, podobně jako mnoho jiných experimentů, o kterých jsme již mluvili, spustil celou lavinu nových neznámých. Většina z nich, ale rozhodně ne všechny, se časem objasnily. Nepolapitelné neutrino se nakonec ukázalo jako daleko důležitější, než se původně myslelo. Nepomohlo jen s objasněním beta rozpadu, později změnilo i náš pohled do nitra Slunce, na supernovy a původ hmoty ve vesmíru.
O rostoucím významu a bohatství neutrinové fyziky v průběhu času svědčí i Nobelovy ceny. V této oblasti již byly uděleny tři, všechny dlouho po skončení původního experimentu. První byla pro Reinese v roce 1995 (Cowan bohužel zemřel o třináct let dříve), tedy až po čtyřiceti letech. Druhou získal Ray Davis a Masatoši Košiba v roce 2002 a třetí Takaaki Kadžita a Arthur McDonald v roce 2015.
K hledání neutrin zprvu vědce motivovala záhada beta rozpadu a její řešení předložené Paulim v roce 1933, mimochodem pouze rok poté, co Chadwick objevil neutron. Spojme teď obě tyto věci dohromady, abychom lépe pochopili, co se vlastně v atomovém jádře děje. Neutron se rozpadne na proton, čímž se změní chemický typ atomu, a uvolní se elektron (vyrovná se elektrický náboj) a neutrino, z nichž ani jeden dosud neexistovaly.1 Neutrino z interakce odnáší část energie, kterou sdílí s elektronem, což se projeví primárně tak, jako kdyby elektrony měly nepředvídatelnou hybnost. Dílky skládačky do sebe zase jednou začaly zapadat. Než ale fyzika stačila usnout na vavřínech, vyhodil ji ze sedla další, původně konkurenční experiment.
*
Když se v polovině 50. let 20. století poprvé podařilo detekovat neutrino, teprve se formovaly představy o tom, že Slunce je vlastně supervýkonná nukleární pec, která vyrábí energii v řetězci fúzních reakcí zvaném „p-p“ (proton-protonový) cyklus, při kterém se protony v několika postupných krocích slučují na helium.2 Pokud by byly hypotézy o Slunci správné, měl by přímo z jeho nitra vyletovat nespočet neutrin téměř rychlostí světla a dorazit zhruba do osmi minut k nám na Zemi.3
Ray Davis, radiochemik z Brookhavenu, v jistém smyslu Reinese s Cowanem o rok předstihl. Nehledal nicméně gama záblesky, ale pohrával si s předpovědí teoretika Bruna Pontecorva, podle nějž by měl v interakci neutrina s atomem chloru vzniknout radioaktivní argon. A Davis byl expert přes radiochemii, takže jestli měl někdo najít několik jednotlivých radioaktivních atomů argonu, tak právě on.
Jeho pokusy o detekci neutrin spočívaly v použití levného a běžně dostupného čisticího prostředku na oděvy obsahující chlor, kterým plnil objemné kádě. Začínal s 3 800 litry, což ale nebylo skoro nic v porovnání s tím, co přišlo později. Navzdory tomu, že začal s experimenty s náskokem, se mu ale nepodařilo ulovit neutrina jako prvnímu. Částečně proto, že jaderné reaktory a beta rozpad ve skutečnosti neprodukují neutrina, ale jejich antihmotový ekvivalent, antineutrina, která detekovali Cowan s Reinesem.4 Davisův experiment chytal jen „normální“ neutrina. Sice ho kvůli tomu v jejich objevu předběhli, ale on pak mohl v klidu obrátit svou pozornost trochu jinam, tedy na neutrina sluneční neboli solární. Z širšího hlediska to byl zcela přelomový záměr, neboť tím posunul neutrinovou fyziku od studia kuriózního průvodního jevu rozpadu beta do popředí zájmu částicové fyziky i astrofyziky.
Davis se na začátku 60. let spojil s mladým teoretickým fyzikem Johnem Bahcallem, který ze svých mimořádně náročných výpočtů odhadl četnost reakcí, v nichž vznikají solární neutrina. Na základě toho v roce 1964 publikovali svůj smělý plán. Byli přesvědčeni, že by některá tato neutrina mohli pochytat, možná i deset nebo dvacet týdně, ale potřebovali k tomu experiment ještě asi stokrát větší než ten stávající, který byl už tak sám o sobě mamutí. Byly to tak ambiciózní vyhlídky, že se s nimi dostali do časopisu Time, a to ještě ani nesehnali financování.
V roce 1965 byla v dole Homestake ve státě Jižní Dakota vyhloubena rozlehlá jeskyně, v níž postavili cisternu o objemu 380 000 litrů, kterou naplnili deseti železničními vagony čisticího prostředku. Díky úporné vytrvalosti a pečlivému chemickému řemeslu se nadlidské úsilí nakonec vyplatilo. Vyseparováním několika tuctů atomů radioaktivního argonu Davis prokázal, že mu v nádrži zainteragovala solární neutrina. Mělo to ale háček, byla jich jen asi třetina oproti tomu, co předpověděl Bahcall.
Výpočty několikrát překontrolovali, ale žádnou chybu nenalezli. Davis se proto zase vrátil k práci, přičemž shromažďoval data dalších téměř dvacet let. Záhada však zůstávala po celou tu dobu nevyřešena, neutrin ze Slunce přicházelo podezřele málo.
Takzvaný „problém solárních neutrin“ přirozeně vyvolával hromadu otázek. Jsou výpočty nebo jejich východiska chybné? Nebo nejsou správné naše představy o tom, jak funguje Slunce? Jsou tím zákeřným živlem neutrina? Nebo snad Slunce přestalo vyrábět energii a my, kteří jsme na něm zcela závislí, jsme teď v ohrožení? Nakonec se prosadila hypotéza, že na cestě mezi Sluncem a Zemí neutrina kamsi mizí, mění se v něco jiného. S myšlenkou, že by se neutrina mohla chovat tímto zvláštním způsobem, přišel již v roce 1957 sám Pontecorvo,5 dosud ji ale nikdo nebral příliš vážně. Idea však motivovala Arta McDonalda a asi stovku dalších lidí, aby vybudovali Neutrinovou observatoř v Sudbury (SNO).
***
Jako správná se nakonec ukázala ta nejdivočejší z původních hypotéz. Existují tři druhy – neboli odborně vůně – neutrin a ty mezi sebou oscilují! To znamená, že neutrino zrozené třeba jako takzvané elektronové, osciluje mezi tímto původním stavem a zbylými dvěma, jimž se říká mionové neutrino a tau neutrino. Davisův experiment ale reagoval pouze na elektronová neutrina. Pokud ale solární neutrina oscilují na jiné vůně, některá z nich detektor prostě nezachytí, konkrétně zhruba dvě třetiny z nich. První důkazy o tom přineslo v roce 1998 Kadžitovo japonské Super-Kamiokande,1 což je kolosální nádrž s 50 000 litry ultračisté vody uložená 1 000 metrů pod zemí, v níž 13 000 fotonásobičů detekuje světlo, kterému se říká Čerenkovovo, generované částicemi přímo vyletujícími z neutrinových interakcí. Kadžitovy výsledky naznačovaly, že atmosférická neutrina, která vznikají ve srážkách kosmického záření se vzduchem, svou vůni mění. To však ale neřešilo problém solárních neutrin, protože v úvahách nijak nefigurovalo Slunce. Tento problém rozklíčovalo až SNO, když 18. června 2001 Art McDonald za celý kolektiv veřejně oznámil, že s pomocí své blyštivé koule prokázali oscilace solárních neutrin, téměř 50 let od okamžiku, kdy na ně Ray Davis poprvé narazil. Podařilo se jim nezávisle změřit tok všech neutrin dohromady bez ohledu na jejich vůni.
úryvek z knihy
Suzie Sheehyová
Podstata všeho
Dvanáct experimentů, které změnily svět
Argo a Dokořán 2025
O knize na stránkách vydavatele
