Existuje spôsob, ako odhaliť a skúmať procesy prebiehajúce v hlbokom vesmíre? Máme možnosť nazrieť až na jeho okraj? Častica, ktorá nám umožňuje nahliadnuť do nepredstaviteľných diaľok vo vesmíre, je neutríno.
Ľudstvo odpradávna priťahovali tajomstvá vesmíru. Dôkazy o prvých pozorovaniach môžeme vidieť na rôznych jaskynných maľbách, tabuľkách alebo stavbách ako Stonehenge. Už v 17. storočí Galileo Galilei publikoval prvé pozorovania vesmíru pomocou ďalekohľadu. Tieto pozorovania boli založené na sledovaní fotónov s určitou frekvenciou – časticiach viditeľného svetla.
Súčasné technológie nám umožňujú pozorovať nielen viditeľné svetlo, ale aj fotóny s inou energiou, ako napríklad gama žiarenie (ktoré však nedokážeme vidieť voľným okom), čo nám umožňuje pozorovať vzdialenejšie objekty. Aj tieto pozorovania však majú svoje ohraničenia – fotóny môžu byť pohltené alebo rozptýlené na svojej ceste k pozorovateľovi, a preto je informácia, ktorú nesú, skreslená alebo stratená.
Ďalšou možnosťou, ako sledovať procesy vo vesmíre, je detekcia nabitých častíc (kozmické žiarenie), ako sú napríklad elektróny, protóny alebo ťažšie atómové jadrá. Dráhy týchto nabitých častíc sú však zakrivované elektromagnetickými poľami vo vesmíre a nedokážu nám pomôcť lokalizovať ich zdroj, resp. proces, v ktorom vznikli.
Neutríno na scéne
Neutríno je elementárna častica, ktorá patrí k najrozšírenejším vo vesmíre. Jeho história siaha do roku 1930, keď jeho existenciu predpovedal Wolfgang Pauli ako možné riešenie problému s nedodržaním zákona zachovania energie a uhlového momentu v beta premene jadier. Problém spočíval v tom, že samotný W. Pauli predpokladal, že túto časticu nebudeme nikdy schopní experimentálne pozorovať, pretože s ostatnou hmotou nemá takmer vôbec interagovať. No ešte počas jeho života, o 26 rokov neskôr, Frederick Reines a Clyde Cowan potvrdili existenciu častice pozorovaním antineutrín unikajúcich z reaktora. Za tento objav udelili F. Reinesovi v roku 1995 Nobelovu cenu za fyziku.
Existujú tri druhy, tzv. vône, neutrín – elektrónové, miónové a tauónové neutríno, ktoré sú partnermi leptónov – elektrónu a ťažších leptónov – miónu a tauónu. Na rozdiel od elektrónu, miónu a tauónu neutrína nemajú elektrický náboj, a preto sa pri šírení vesmírom ich trajektórie nezakrivujú elektromagnetickými poľami.
Výnimočný nástroj
Skutočnosť, že neutrína interagujú s ostatnou hmotou veľmi slabo, z nich robí výnimočný nástroj na skúmanie vesmíru. Dokážu uniknúť z prostredí s veľkou hustotou, ako sú napríklad centrá hviezd, precestovať obrovské vzdialenosti po nevychýlenej dráhe až k Zemi a priniesť vzácne informácie o tom, aké procesy sa dejú v hlbokom vesmíre. Schopnosť neutrín prenášať neskreslenú informáciu je možné ilustrovať na fakte, že neutríno, ktoré vzniká v Slnku, dokáže prejsť v olove efektívnu vzdialenosť jeden svetelný rok bez toho, aby zinteragovalo.
Detekcia neutrín je v súčasnosti jediným nástrojom, ako poodhaliť tajomstvá vesmíru, ktoré nám žiadna iná častica nedokáže poskytnúť. Ako však môžeme tieto nepolapiteľné častice zachytiť a získať z nich informácie, ak dokážu precestovať nepredstaviteľné vzdialenosti? Prečo by práve naše detektory mali mať túto schopnosť? Odpoveď sa skrýva v hustote prúdu neutrín. Cez cm2, čo je približne špička prstu, nám prejde približne 1010 slnečných neutrín za sekundu. Pri týchto početnostiach a dostatočne veľkých detektoroch dokážeme neutrína detegovať a skúmať ich vlastnosti.
Efekt oscilácií
Ďalšou zaujímavou vlastnosťou neutrín, za odhalenie ktorej v roku 2015 udelili Nobelovu cenu za fyziku Takaakimu Kadžitovi a Arthurovi B. McDonaldovi, je ich oscilácia. Tento kvantovomechanický jav spočíva v tom, že keď sa neutrína šíria vesmírom bez interakcie, menia svoju identitu, pričom oscilujú medzi stavmi – elektrónové, miónové a tauónové neutríno. V rôznych fázach ich existencie môžeme nájsť neutrína v jednom z týchto troch stavov s rôznymi pravdepodobnosťami.
Prvýkrát efekt oscilácie, ktorého existenciu predpovedal v roku 1957 Bruno Pontecorvo, pozorovali v 60. rokoch v Homestake experimente (Brookhaven) zameranom na detekciu solárnych neutrín. Pri reakciách, ktoré prebiehajú v Slnku, vznikajú iba elektrónové neutrína. V experimente však sledovali len tretinu z počtu neutrín, ktoré vznikajú v Slnku. Toto pozorovanie viedlo k mnohým ďalším experimentom, ktoré mali pomôcť objasniť problém solárnych neutrín.
Vyriešenie záhady solárnych neutrín prišlo na začiatku 21. storočia, keď sa potvrdilo, že skutočná príčina deficitu elektrónových neutrín spočíva v tom, že preoscilovali na miónové a tauónové neutrína. Keďže efekt oscilácie neutrín vyžaduje, aby mali nenulovú hmotnosť, potvrdením existencie oscilácií sa dokázalo, že neutrína majú hmotnosť. Určiť skutočnú hmotnosť neutrín však predstavuje výzvu. Doteraz sa o to usilujú mnohé experimenty, zatiaľ však poznáme iba jej horné ohraničenie.
Odkiaľ pochádzajú
Neutrína sú najpočetnejšími hmotnými časticami vo vesmíre a nachádzajú sa všade okolo nás. Tzv. reliktné neutrína vznikli počas prvej sekundy existencie vesmíru po veľkom tresku. V súčasnosti blúdia vesmírom a nesú informácie o jeho raných fázach, na ktoré sa nemôžeme pozrieť pomocou elektromagnetického žiarenia. Sú zároveň jednými z najrozšírenejších elementárnych častíc vo vesmíre. Ich energie sú veľmi malé a nachádza sa ich približne 340 v kubickom centimetri.
Neutrína, ktoré vo veľkej početnosti prilietajú na našu Zem, sú tzv. slnečné neutrína. Vznikajú v jadre Slnka prostredníctvom rôznych fúznych jadrových reakcií, pričom hlavným príspevkom je protónovo-protónový cyklus – dominantný zdroj energie vyžarovanej Slnkom.
Zdrojom neutrín je aj samotný človek, pretože ľudské telo obsahuje približne 20 mg draslíka, ktorý sa prostredníctvom jadrového procesu, beta premeny, mení na vápnik a v tomto procese vznikajú elektrónové neutrína, ktoré sú schopné z ľudského tela uniknúť. Takýmto spôsobom človek dokáže vyprodukovať 300 miliónov neutrín za deň. Ak však zjeme napríklad banán, ktorý tiež obsahuje draslík, počet produkovaných neutrín sa ešte zvýši.
Fedor Šimkovic, Rastislav Dvornický, Eliška Eckerová, Zuzana Bardačová
Univerzita Komenského v Bratislave
