Ocenění
Nobelova cena za fyziku udělena za důkaz, že neutrino má hmotu

Napřed dlouho nemohli najít. Jen si mysleli, že by mohlo existovat. Když ho konečně našli, zjistili, že k nám ze Slunce přilétá méně neutrin, než by mělo. Záhadu vyřešily až experimenty, za něž padla letošní Nobelova cena.

Jsou všude. Jen vaším tělem jich každou sekundu prolétá asi tisíc miliard. Zachytit je je ale těžké. Pro neutrina je pevná hmota řidší než nejřidší vakuum, jaké dokážeme na Zemi vytvořit. Jejich název znamená "malé a neutrální." Pohybují se téměř rychlostí světla. Jsou jich tři typy: elektronové, mionové a tauonové. Mohou se ale navzájem přeměňovat jeden v druhý. Zjistili to letošní nobelisté v oblasti fyziky, Japonec Takaaki Kadžita a Kanaďan Arthur McDonald. Aby se neutrina mohla navzájem přeměňovat, musí být hmotná. Jinak by to nedokázala.

Existenci neutrin navrhl už v roce 1930 Rakušan Wolfgang Pauli. Fyzikové tehdy řešili chybějící energii při jednom typu rozpadu atomu. Pauli vymyslel malou neutrální obtížně zachytitelnou částici. Měla energii z jádra odnášet. Objevit se ji povedlo až o tři roky později. Časem vyšlo najevo, že neutrin jsou už zmíněné tři typy. Výčet záhad tím ale zdaleka neskončil.

Super-Kamiokande

V šedesátých letech začínali vědci rozumět jaderným reakcím unitř hvězd. Hodně k tomu přispěl i výzkum atomových a vodíkových bomb. Nejbližší hvězda je Slunce. Podle teoretických výpočtů z něj měl přilétat určitý počet elektronových neutrin. Fyzikové se jich ale nemohli dopočítat. Detektory zachycovaly méně částic, než podle výpočtů měly. Chybějící elektronová neutrina se totiž změnila na mionová a tauonová. Dokázaly to dva experimenty. Na prvním z nich pracoval Takaaki Kadžita.

Pokus se jmenoval Super-Kamiokande. Byla to nádrž s padesáti tisíci tunami vody. Fyzikové ji zakopali do hloubky jeden kilometr pod zemí poblíž Japonského města Hida. Obklopili ji jedenácti tisíci světelnými detetory.

Nádrží prolétala neutrina. Naprostá většina jich detektorem prošla, aniž by zanechala stopu. Občas se ale nějaké přece jen srazilo s atomem vody a vyvolalo záblesk světla. Za dva roky činnosti Super-Kamiokande jich bylo asi padesát tisíc.

Sadburská neutrinová observatoř

Neutrina přilétala do nádrže ze dvou směrů. Z atmosféry nad detektorem a od protinožců skrze zeměkouli. Ve směru od protinožců přilétalo méně mionových neutrin než z atmosféry. Část z nich se totiž proměnila na tauonové. Kdyby neutrina zůstávala pořád stejná a neproměňovala se, muselo by jich z obou směrů dorazit stejně.

I druhý z experimentů, na němž pracoval druhý letošní nobelista Arthur McDonald, byla další nádrž s vodou. Tentokrát v bývalém lomu poblíž kanadského města Sadbury. Tisíc tun vody v ní nebylo obyčejných. Byla to těžká voda. Vodíkové atomy v ní mají proti běžné vodě v jádře navíc neutron.

Reakce neutrin s těžkou vodou umožňovala spočítat jen elektronová neutrina a zároveň všechny typy neutrin dohromady bez rozlišení. Elektronových neutrin byla proti celkovému počtu třetina. Přesně tolik by se dalo očekávat, kdyby se elektronová neutrina za letu měnila na mionová a tauonová.

Nová fyzika

Fyzikové zkoumají elementární částice už skoro sto dvacet let. První z nich, elektron, objevil Angličan J. J. Thomson v roce 1897. Vědci časem došli k takzvanému standartnímu modelu. Je to fyzikální teorie. Popisuje chování částic, jejich vzájemné působení, rozpady, a tak dál.

Objev vzájemných přeměn neutrin zasadil modelu první velkou ránu. Vědci ho kvůli němu museli upravit. Do objevu oscilací považovali vědci neutrina za nehmotná. Pro přeměny je ale nutné, aby nějakou hmotnost měla, byť velice malou.

Nehmotná neutrina se také měla pohybovat rychlostí rychlostí světla, stejně jako částice světla fotony. Pokud jsou hmotná, musí se pohybovat pomaleji.