Každou sekundu každého dne jste bombardováni biliony na biliony subatomárních částic a sprchovali se z hlubin vesmíru. Prorazí vás sílou kosmického hurikánu, který vrhá téměř rychlostí světla. Přicházejí z celé oblohy, ve dne i v noci. Pronikají do magnetického pole Země a naší ochranné atmosféry jako tolik másla.
A přesto vlasy na temeni hlavy nejsou ani zvlněné.
Co se děje?
Malý neutrální
Tyto malé kuličky se nazývají neutrinos, což je termín, který v roce 1934 vytvořil geniální fyzik Enrico Fermi. Slovo je vágně italské pro „málo neutrální“ a jejich existence byla předpokládána, aby vysvětlila velmi zvědavou jadernou reakci.
Někdy se prvky cítí trochu ... nestabilní. A pokud zůstanou příliš dlouho na pokoji, rozpadnou se a přemění se v něco jiného, něco lehčího na periodickém stole. Kromě toho by se objevil malý elektron. Ve dvacátých letech 20. století však pozorná a podrobná pozorování těchto rozpadů shledala drobné, otupující rozpory. Celková energie na začátku procesu byla o něco větší než energie vycházející. Matematika se nesčítala. Zvláštní.
Několik fyziků si tedy z celé látky utvořilo zcela novou částici. Něco, co odnáší chybějící energii. Něco malého, něco lehkého, něco bez poplatku. Něco, co by mohlo proklouznout jejich detektory bez povšimnutí.
Trochu neutrální. Neutrino.
Potvrzení jejich existence trvalo dalších pár desetiletí - tak jsou kluzké a zlostné a záludné. V roce 1956 se však neutrinina připojila k rostoucí rodině známých, měřených a potvrzených částic.
A pak to začalo být divné.
Oblíbená příchuť
Problémy se začaly vařit objevem mionu, ke kterému došlo shodou okolností ve stejnou dobu, kdy se začal objevovat neutrinový nápad: 30. léta. Mion je téměř přesně jako elektron. Stejný poplatek. Stejné točení. Ale je to zásadním způsobem: Je těžší, více než 200krát hmotnější než jeho sourozenec, elektron.
Miony se účastní svých zvláštních reakcí, ale nemají tendenci trvat dlouho. Vzhledem ke svému působivému objemu jsou velmi nestabilní a rychle se rozkládají na sprchy menších bitů („rychle“ zde znamená během mikrosekundy nebo dvou).
To je vše v pořádku a dobře, tak proč se miony objevují v neutrinovém příběhu?
Fyzici si všimli, že reakce rozpadu, které naznačovaly existenci neutrina, měly vždy elektronový pop a nikdy mion. V jiných reakcích by se vynořily miony a ne elektrony. Aby vysvětlili tato zjištění, usoudili, že neutrina se při těchto rozpadových reakcích vždy shodovala s elektrony (a ne s žádným jiným druhem neutrina), zatímco elektron, musí se mion spárovat s dosud neobjeveným typem neutrina… Koneckonců, elektron - přátelské neutrino by nedokázalo vysvětlit pozorování z muonových událostí.
A tak lov pokračoval. A dál. A dál. Teprve v roce 1962 fyzici konečně dostali zámek na druhý druh neutrina. Původně se to dalo nazvat „neutretto“, ale převažovaly racionálnější hlavy se schématem nazývat muon-neutrino, protože se vždy spárovalo v reakci s muonem.
Cesta Tao
Dobře, tak dva potvrdili neutrin. Měla pro nás příroda víc? V roce 1975 vědci ve Stanfordově lineárním akcelerátorovém centru statečně prošli horami monotónních dat, aby odhalili existenci ještě těžšího sourozence vůči svižnému elektronu a mohutnému mionu: mohutný tau, stopující v neuvěřitelných 3 500krát větší hmotnosti elektronů . To je velká částice!
Okamžitě tedy vyvstala otázka: Pokud existuje rodina tří částic, elektron, mion a tau… mohl by existovat třetí neutrin, který by se spároval s tímto nově objeveným stvořením?
Možná možná ne. Možná existují jen dvě neutrina. Možná jsou čtyři. Možná 17. Příroda přesně nesplnila naše očekávání, takže není důvod začít hned teď.
V průběhu desetiletí se fyzici přeskakovali spoustou hrůzostrašných detailů a přesvědčili se pomocí řady experimentů a pozorování, které by mělo existovat třetí neutrino. Ale teprve až na hranici tisíciletí, v roce 2000, konečně dostal specificky navržený experiment ve Fermilabu (nazvaný humorně experiment DONUT, pro přímé pozorování NU Tau a ne, to si nedělám). dost potvrzených pozorování, aby bylo možné správně požadovat detekci.
Pronásledování duchů
Proč se tedy tolik staráme o neutrina? Proč jsme je honili více než 70 let, od doby před druhou světovou válkou do moderní doby? Proč byly tyto malé, neutrální vědce tak fascinovány generacemi vědců?
Důvodem je to, že neutrina nadále žijí mimo naše očekávání. Dlouho jsme si nebyli ani jistí, že existují. Dlouho jsme byli přesvědčeni, že jsou naprosto bezmasí, dokud experimenty nepříjemně nezjistily, že musí mít masu. Přesně „kolik“ zůstává moderním problémem. A neutrina mají tento nepříjemný zvyk měnit charakter, když cestují. To je pravda, protože neutrino cestuje za letu, může přepínat masky mezi třemi příchutěmi.
Mohlo by tam být ještě další neutrino, které se nezúčastňuje žádných obvyklých interakcí - něco známého jako sterilní neutrino, na které fyzici hladově loví.
Jinými slovy, neutrina neustále zpochybňují vše, co víme o fyzice. A pokud potřebujeme jednu věc, v minulosti i v budoucnosti, je to dobrá výzva.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru.
