Neutrina jsou možná nejznámější ze známých částic. Jednoduše splývají všechna známá pravidla toho, jak by se částice měly chovat. Vysmívají se našim fantazijním detektorům. Stejně jako kosmické kočky i oni prolétají celým vesmírem bez obav a péče, občas se vzájemně ovlivňují se zbytkem nás, ale ve skutečnosti pouze tehdy, když se cítí jako to, což upřímně není tak často.
Nejvíce frustrující ze všech, nosí masky a nikdy vypadat stejným způsobem dvakrát.
Ale nový experiment nás mohl udělat jen o krok blíž k vytržení těchto masek. Odhalení skutečné neutrinové identity by mohlo pomoci odpovědět na dlouhodobé otázky, jako je to, zda jsou neutrina jejich vlastními antihmotnými partnery, a dokonce by mohla pomoci sjednotit přírodní síly do jedné soudržné teorie.
Obrovský problém
Neutrina jsou divná. Existují tři druhy: elektronové neutrino, mionové neutrino a tau neutrino. (Existují také antičásticové verze těchto tří, ale to není velká část tohoto příběhu.) Jsou tak pojmenovány, protože tyto tři druhy se dostávají na párty se třemi různými druhy částic. Elektronová neutrina spojují interakce zahrnující elektrony. Muonová neutrina se spárují s miony. Za uhádnutí toho, s čím tau neutrino interaguje, nebudou uděleny žádné body.
Zatím to vůbec není divné. Tady přichází divná část.
Pro částice, které jsou ne neutrina - jako elektrony, miony a částice tau - to, co vidíte, je to, co dostanete. Tyto částice jsou úplně stejné, kromě jejich hmot. Pokud si všimnete částice s hmotou elektronu, bude se chovat přesně jako elektron, který by se měl chovat, a totéž platí pro mion a tau. A co víc, jakmile si všimnete elektronu, bude to vždy elektron. Nic víc nic míň. Totéž platí pro mion a tau.
To samé však neplatí pro jejich bratrance, neutrony elektronů, mionů a tau.
To, čemu říkáme, říkáme, „tau neutrino“ není vždy tau neutrino. Může změnit svou identitu. Může se stát, středem letu, elektronovým nebo mionovým neutrinem.
Tento podivný jev, který v podstatě nikdo neočekával, se nazývá neutrino oscilace. To mimo jiné znamená, že si můžete vytvořit elektronové neutrino a poslat jej jako nejlepší dárek jako dárek. Ale v době, kdy to pochopí, mohou být zklamáni, když místo toho najdou neutrální tau.
Teeter-totter
Z technických důvodů funguje oscilace neutrin pouze tehdy, existují-li tři neutrina se třemi různými hmotami. Neutrina, která oscilují, však nejsou neutrina s příchutí elektronů, mionů a tau.
Místo toho existují tři „pravá“ neutrina, z nichž každá má různé, ale neznámé masy. Zřetelná směs těchto skutečných, základních neutrin vytváří každou z neutrinových příchutí, které detekujeme v našich laboratořích (elektron, mion, tau). Laboratorně měřená hmota je tedy směsí těch pravých neutrinových hmot. Mezitím hmotnost každého skutečného neutrina ve směsi určuje, jak často se promění v každou z různých příchutí.
Úkolem fyziků je nyní oddělit všechny vztahy: Jaké jsou masy těch pravých neutrin a jak se smíchají, aby vytvořily tři příchutě?
Fyzici tedy loví, aby odhalili masy „pravých“ neutrin, když se podívají na to, kdy a jak často mění chutě. Fyzikální žargon je opět velmi nápomocný při vysvětlování, protože jména těchto tří neutrin jsou jednoduše m1, m2 a m3.
Řada pečlivých experimentů naučila vědce alespoň nepřímo některé věci o množství pravých neutrin. Například víme o některých vztazích mezi čtvercem mas. Ale nevíme přesně, jak moc váží některý z pravých neutrin a nevíme, které jsou těžší.
Je možné, že m3 je nejtěžší, daleko převažující m2 a m1. Tomu se říká „normální uspořádání“, protože to vypadá docela normálně - a je to fyziky, kteří se rozhodli před desítkami let v podstatě hádat. Ale na základě našeho současného stavu znalostí by to také mohlo být, že m2 je nejtěžší neutrino, s m1 ne pozadu a m3 puny ve srovnání. Tento scénář se nazývá „obrácené řazení“, protože to znamená, že jsme původně uhodli špatné pořadí.
Samozřejmě existují tábory teoretiků, kteří každý z těchto scénářů věří, že jsou pravdivé. Teorie, které se pokoušejí sjednotit všechny (nebo alespoň většinu) přírodních sil pod jedinou střechou, obvykle vyžadují normální uspořádání neutrino-hmot. Na druhou stranu je nutné, aby neutrino bylo svým vlastním antičástečným dvojčatem, které je invertované hmoty. A pokud by to byla pravda, mohlo by to pomoci vysvětlit, proč je ve vesmíru více hmoty než antihmota.
Cvičení DeepCore
Co to je: normální nebo obrácené? To je jedna z největších otázek, které vyvstanou z posledních několika desetiletí neutrino- vého výzkumu, a je to přesně ten druh otázky, na který byla navržena masivní observatoř IceCube Neutrino. Nachází se na jižním pólu, observatoř se skládá z desítek řetězců detektorů zapuštěných do antarktické ledové pokrývky, s centrálním „DeepCore“ osmi řetězců účinnějších detektorů schopných vidět interakce s nižší energií.
Neutrinos sotva mluví o normální hmotě, takže jsou dokonale schopni tryskat přímo skrz tělo Země samotné. A když tak učiní, promění se v různé příchutě. Pokaždé ve vzácné chvíli udeří molekulu v Antarktické ledové pokrývce poblíž detektoru IceCube a spustí kaskádovou sprchu částic, které emitují překvapivě modré světlo zvané Cherenkovovo záření. Právě toto světlo detekují řetězce IceCube.
V nedávném článku publikovaném v předtištěném časopise arXiv vědci IceCube použili tři roky dat DeepCore k měření toho, kolik z každého druhu neutrina prošlo Zemí. Pokrok je samozřejmě pomalý, protože neutrina se tak těžko chytí. Ale v této práci. Vědci uvádějí mírné preference v údajích pro normální uspořádání (což by znamenalo, že jsme se uhodli právě před desítkami let). Zatím však nenašli nic přesvědčivého.
Je to vše, co dostaneme? Rozhodně ne. IceCube se brzy připravuje na významnou aktualizaci a nové experimenty jako Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) a Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) se připravují na řešení této ústřední otázky. Kdo věděl, že taková jednoduchá otázka o uspořádání neutrino mas by odhalila tolik toho, jak vesmír funguje? Je to příliš špatné, není to ani jednoduchá otázka.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel „Zeptejte se Spacemana" a "Vesmírné rádio, „a autor“Vaše místo ve vesmíru."
