Původně to nikdo neplánoval. Vědci dlouho předpokládali, že neutrina nemají vůbec žádnou hmotnost a že jejich vlastnosti zůstávají od okamžiku vzniku neměnné. Jenže nejnovější výzkumy naznačují něco jiného: neutrina mezi sebou neustále oscilují a mění svůj typ. A taková proměna je fyzikálně možná jen tehdy, pokud tyto částice mají hmotnost, a tedy i energii.
Nejmenší známé částice jsou tak pro fyziky vším, jen ne „lehkou“ výzvou – ať už jde o jejich pochopení, nebo samotnou detekci. Tým vědců z Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN v Ženevě), Monashovy univerzity v Melbourne a Technické univerzity v Mnichově se proto vůbec poprvé rozhodl k unikátnímu kroku: přezkoumal všechny dosavadní experimenty, které se přímo či nepřímo týkaly detekce neutrin.
Jejich závěry otřásají základy standardního modelu fyziky a ukazují na existenci částic, které byly doposud považovány za čistě teoretické. Přímý důkaz těchto „antineutrin“ by mohl přijít v nejbližších letech – nebo si na něj počkáme další století.
Subatomární částice v šesti „vůních“
Existenci první subatomární částice, elektronu, prokázal britský fyzik a laureát Nobelovy ceny Joseph John Thomson před více než 120 lety. Od té doby fyzikové objevili celou řadu dalších stavebních kamenů hmoty. Rozmanitost přírody dnes vysvětlují hypotézou, podle níž se svět skládá z hmotných kvarků, které se vyskytují v šesti typech, tradičně označovaných jako „vůně“ (flavours). Vedle nich existují výrazně lehčí leptony, rovněž rozdělené do šesti skupin. Mezi leptony řadíme elektron, mion, tauon a tři jim odpovídající typy neutrin. Pro představu o rozdílech v měřítku: mion váží přibližně 207krát více než elektron, zatímco tauon je těžší dokonce 3 477krát.
Neutrina interagují s ostatní hmotou jen naprosto minimálně, a proto byla dlouho považována za bezhmotná. Moderní výzkumy však potvrzují, že tyto částice oscilují – tedy že se neustále přeměňují z jednoho typu na druhý. Právě tento jev je jasným důkazem, že pozorovaná neutrina musí mít určitou, byť nepatrnou hmotnost.
Standardní model částicové fyziky přitom s ničím podobným nepočítal: v jeho přísných mantinelech neutrina hmotnost mít nemohou a jejich vlastnosti by měly být po vzniku stabilní. Tento rozpor mezi teorií a experimentem představuje jeden z nejsilnějších důkazů existence dosud neznámých subatomárních částic. Hmotnost však není jedinou záhadou, která neutrina obestírá.
Levotočivá a pravotočivá neutrina
Všechna neutrina, která známe, vykazují vlastnost, jíž fyzikové říkají „levotočivost“. Ve všech experimentech měly tyto částice vždy stejný spin – rotovaly proti směru hodinových ručiček vzhledem ke směru svého pohybu. „Zkrátka byla levotočivá,“ shrnuje doktor Marcin Chrzaszcz z Polské akademie věd.
Astrofyzik Ethan Siegel v časopise Forbes nabízí názorné vysvětlení: „Pokud namíříte levý palec ve směru pohybu neutrina, jeho spin – tedy moment hybnosti – vždy odpovídá směru, kterým se kolem palce ohýbají prsty vaší levé ruky. U antineutrin je to přesně naopak, jsou vždy pravotočivá: směr rotace určíte pomocí prstů pravé ruky.“
Ostatní částice hmoty přitom běžně mívají spin kladný i záporný. Pokud však jde o pravotočivá neutrina – která jsou nejpřirozenějším rozšířením standardního modelu –, ta nám stále unikají. Doktor Chrzaszcz si proto klade zásadní otázky: „Pokud neexistují, tak proč? A pokud existují, kde se schovávají?“
„Nedetekovatelná částice“ – Wolfgang Pauli, nositel Nobelovy ceny za fyziku
„V částicové fyzice pracujeme se dvěma veličinami, které jsou vždy konstantní,“ vysvětluje doktor Siegel. „Je to energie, protože její celkové množství musí na začátku i na konci procesu souhlasit, a hybnost.“ Jenže při pozorování neutrin – kdy první experimenty zachytily pouze třetinu předpovězených částic – nebyla splněna ani jedna z těchto podmínek.
Fyzikové jako Niels Bohr tehdy začali o platnosti těchto základních pilířů pochybovat. Rakušan Wolfgang Pauli však přišel s ještě radikálnější myšlenkou: co když existuje nový typ částice, kterou prostě jen neumíme vidět? Nazval ji „neutrino“ (italsky „malý neutrální“) a vzápětí se zhrozil: „Dopustil jsem se hrozné věci: postuloval jsem částici, kterou nelze detekovat.“
Přibližně ve stejné době předpokládal italský fyzik Ettore Majorana existenci částice, která by byla svou vlastní antičásticí. Takový objekt by musel mít nulový elektrický náboj – a protože neutrina jsou jedinými částicemi bez náboje, nabízela se jasná souvislost. V roce 1956 byla Pauliho teorie potvrzena detekcí prvního neutrina z jaderného reaktoru, ale na definitivní důkaz Majoranových částic i pravotočivých antineutrin věda stále čeká.
Neutrina nejsou bezhmotná!
„Teorie říká, že pokud Majoranova neutrina skutečně existují, dochází k přeměně,“ vysvětluje doktor Chrzaszcz. „Znamenalo by to, že pokud známá neutrina nejsou příliš hmotná, pak jejich verze s opačnou rotací musí mít naopak hmotnost velmi vysokou.“
Doktor Siegel k tomu dodává: „Neutrina mají nenulovou hmotnost, ale je neuvěřitelně malá. Museli byste jich nashromáždit přes 4 miliony, abyste dosáhli hmotnosti elektronu, nejlehčí částice standardního modelu.“
„Pokud tedy naše levotočivá neutrina váží tak málo, jejich pravotočivé protějšky by v Majoranově scénáři musely být extrémně hmotné. To by dokonale vysvětlovalo, proč jsme je dosud nebyli schopni pozorovat,“ doplňuje doktor Chrzaszcz.
Tato pravotočivá neutrina jsou dnes hlavními kandidáty na temnou hmotu. Současné odhady naznačují, že by mohla tvořit asi 0,5 až 1,5 % temné hmoty. To se sice zdá málo, ale podle doktora Siegela je to zhruba stejné množství hmoty, jako tvoří všechny hvězdy ve vesmíru dohromady.
Fakt, že neutrina mají hmotnost, mění pravidla hry. Podle Einsteinova vzorce E = mc2 totiž částice s hmotností nesou energii. Vzhledem k tomu, že každou sekundu zasáhne každý centimetr čtvereční Země 60 miliard neutrin, otevírá se fascinující otázka, zda bychom je jednou nemohli využít jako zdroj energie.
Současný stav výzkumu: Stopa na obzoru
Ačkoliv analýzy polských vědců odhalují „stopu potenciálního signálu, který by mohl patřit pravotočivým neutrinům“, jejich existence zůstává nepotvrzena. Stejně tak nevíme, kde se hmotnost neutrin vlastně bere. „Netušíme, zda ji získávají skrze vazbu na Higgsův boson, nebo jiným mechanismem. Celý sektor neutrin může být mnohem složitější, než si připouštíme,“ uzavírá doktor Siegel.
Naděje se nyní upínají k novým experimentům. V nejlepším případě by pravotočivá neutrina mohl odhalit nástupce dnešního LHC – budoucí kruhový urychlovač (FCC) v Ženevě. Jeho stavba však začne nejdříve v roce 2031 a uvedení do provozu potrvá další dvě desetiletí. Jak říká doktor Chrzaszcz: „Budeme se muset obrnit velkou trpělivostí, než tato záhadná neutrina poprvé spatříme.“
–etfr–
