Nobelova cena za fyziku patří letos výzkumníkům v oboru neutrin

Neutrina ve skutečnosti nejsou částicemi jednoho typu, ale vyskytují se ve třech variantách, tzv. příchutích. Rozeznáváme tak neutrino elektronové, mionové a tauonové. Každé z nich se vyskytuje v reakcích, do nichž vstupují tři odpovídající základní “mateřské” leptony - elektron, mion a tauon. Velká část námi pozorovaných neutrin pochází z jaderných reakcí, probíhajících na Slunci. Během letu vysokou rychlostí se však volná neutrina cyklicky mění jedno v druhé - mění tedy své příchutě. Takové chování zatím u žádných jiných elementárních částic nebylo pozorováno.

Oscilace neutrin by však nebyly možné, pokud by měly všechny typy neutrin nulovou klidovou hmotnost, tedy kdyby se neutrina pohybovala pouze rychlostí světla. Neutrina také velmi málo interagují s většinou známých typů okolní hmoty, takže snadno procházejí planetami, Zemí, vlastně téměř vším, i když je jich ve vesmíru mnoho.

Více než 50 let si však fyzikové nebyli jisti hmotností neutrin. Neutrina se pohybují vysokými rychlostmi, které prakticky není možné rozeznat od rychlosti světla a tomu odpovídající klidová hmotnost neutrin tedy musí být velmi malá, pokud není přímo nulová. Dlouhou dobu existoval pouze horní odhad jejich klidové hmotnosti, což otázku (ne)nulovosti klidové hmotnosti neutrin vyřešit nemohlo. McDonald sdělil novinářům, že jejich objevitelská práce tak zaplnila jednu podstatnou mezeru v částicové fyzice. Kajita poznamenal, že se opíral o předchozí výzkum jiných vědců, protože podstatné změny ve fyzice dnes nelze udělat ze dne na den a bez rozsáhlé práce řady dalších odborníků.

Neutrinová observatoř v Sudbury|foto: Lawrence Berkeley National Laboratory

Kajita zjistil už v roce 1998, že neutrina, vznikající v zemské atmosféře a pozorované pomocí japonského detektoru Super-Kamiokande, cyklicky mění své příchutě. McDonald zjistil o tři roky později stejný fakt ohledně neutrin, pocházejících ze Slunce, když pracoval na kanadské neutrinové observatoři v Sudbury. Pokud jde o hmotnosti neutrin, ani dnes jejich hodnotu přesně neznáme. Více můžeme říci o jejich rozdílech. Dnes existuje pouze řádový odhad této veličiny, který říká, že klidová hmotnost některých neutrin činí asi jen miliontinu klidové hmotnosti elektronu. Každé příchuti neutrina bude přitom možná náležet jiná klidová hmotnost.

Nicméně i takto malé klidové hmotnosti jsou v rozporu se současnou podobou tzv. Standardního modelu elementárních částic, který vyžaduje, aby klidová hmotnost všech typů neutrin byla rovna nule. Také ještě nevíme, jestli antineutrina oscilují stejným způsobem jako neutrina. Současný Standardní model elementárních částic tedy nemůže být zcela konečnou základní teorií hmoty v našem vesmíru. Důkaz oscilací a nenulové hmotnosti neutrin tak bude mít velké důsledky pro různé fyzikální vědy a na ně navazující technologie.

Zdroje: Phys.Org, Popular Science, BBC 1, BBC 2, PBS 1, PBS 2, Nobel Prize 1, Nobel Prize 2, AIP - Physics Today, IO9, New Scientist, Science News, Nature, LiveScience