Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2015

Neutrino je druhou nejdéle hledanou částicí po Higgsově bosonu. Jeho objev trval – od předpovědi v roce 1930 – dlouhých 26 let. Nakonec bylo polapeno v americké jaderné elektrárně v Savannah River. A od té doby nás mnohokrát překvapilo svými nezvyklými vlastnostmi. V šedesátých letech 20. století chytal neutrina Raymond Davis v opuštěném zlatém dole Homestake v Jižní Dakotě. Neutrin ze Slunce přicházela oproti teoretickým výpočtům zhruba třetina. Tento „neutrinový skandál“, jak situaci nazvali tehdejší fyzikové, bylo třeba neodkladně řešit. Uvažovalo se, že naše představy o průběhu termojaderné syntézy v nitru Slunce jsou buď zcela mylné, nebo ve Slunci probíhají momentálně se sníženým výkonem (v elektromagnetickém spektru bychom se výpadek slunečních reakcí v nitru dozvěděli až po mnoha stech tisících letech, neboť se uvolněná energie prodírá slunečním plazmatem jen pomalu k povrchu). Stále však sílil názor, že se Sluncem je vše v pořádku, ale neutrina mají malou nenulovou hmotnost. V tom případě by podle kvantové teorie byly neutrinové stavy superpozicí tzv. hmotových stavů (viz AB 46/2005) a neutrina by měla podléhat oscilacím. Jde o oscilace pravděpodobnosti, že neutrino zachytíme jako elektronové, mionové nebo taunové. Na cestě od Slunce k nám jsou neutrina natolik promixována, že Davisův detektor, který byl citlivý jen na elektronová neutrina, zachytával právě třetinu skutečného toku neutrin z nitra Slunce. Tomuto názoru daly za pravdu na samém konci 20. století měření na detektorech Super-Kamiokande v Japonsku a v Sudburské neutrinové observatoři v Kanadě. Objev oscilací neutrin byl jedním ze zásadních objevů částicové fyziky, a proto byla letošní Nobelova cena za fyziku udělena vedoucím obou týmů, které oscilace objevily.

Neutrina se vyskytují ve třech podobách, obdobně  jako alieni na tomto obrázku.
Zdroj: Cartoon Alien Pictures

Mnoho podob neutrin

Neutrina k nám přicházejí z mnoha zdrojů. Velké množství se jich uvolňuje při termojaderné syntéze v nitrech hvězd včetně našeho Slunce. Vznikají ale také při závěrečných explozích hvězd, v supernovách, kde odnášejí z nitra umírající hvězdy podstatnou část její energie. Na naší Zemi vznikají přírodní neutrina dvojím způsobem: v horních vrstvách atmosféry při srážkách jejích atomů a molekul s kosmickým zářením a v nitru Země při radioaktivním rozpadu látek. Umělá neutrina vytváříme ve všech jaderných elektrárnách a vznikají přirozenou cestou v urychlovačích – buď při srážkách, nebo při navedení urychlených částic do útlumového členu.

Neutrina jsou příbuzensky spjata s elektrony. Elektrony a neutrina se při slabé interakci dokonce chovají jako jedna jediná částice. Zcela odlišné chování ale pozorujeme při elektromagnetické interakci, které nenabitá neutrina nepodléhají, zatímco nabité elektrony ano. Obdobně jako existuje elektron lehký, těžký (mion) a supertěžký (tauon), existují i neutrina tří druhů: elektronové, mionové a tauonové. Dnes víme, že alespoň některá z nich mají nenulovou hmotnost. Kvantovým důsledkem nenulové hmotnosti jsou oscilace neutrin – pravděpodobnost, že při experimentu zachytíme neutrino v některé z jeho podob, se plynule mění.

N.

Jak se hledají oscilace

Hledání oscilací neutrin trvalo tři desítky let. Nakonec byly objeveny na detektoru Super-Kamiokande, který je citlivý jak na elektronová, tak na mionová neutrina. Na Zemi neustále dopadá intenzivní tok kosmického záření – velkého množství energetických protonů a dalších částic. Při interakci s atomy a molekulami v horní vrstvě atmosféry vznikají tzv. sekundární spršky částic, které obsahují mionová a elektronová neutrina v poměru 2:1. Z oblasti nad detektorem uletí neutrina jen několik desítek kilometrů a nestačí oscilovat, tj. změnit svou podobu, a tím poměr detekovaných neutrin. Atmosférická neutrina ale vznikají i na druhé straně Zeměkoule, projdou Zemí a vletí do detektoru z jeho spodní části. Taková neutrina ulétla několik tisíc kilometrů, některá stihla oscilací změnit svou podobu, a poměr počtu mionových a elektronových neutrin je proto směrově závislý. Právě tuto závislost naměřili v roce 1998 na detektoru Super-Kamiokande, a definitivně tak potvrdili existenci oscilací neutrin a jejich nenulovou hmotnost.

Schéma principu měření oscilací v japonském detektoru Super-Kamiokande.
Zdroj: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Obdobné experimenty prováděli vědci i v Sudburské neutrinové observatoři. Zde ale neměřili směrovou závislost (v tomto experimentu šlo o sluneční neutrina), ale poměr signálu elektronových neutrin ku signálu všech tří typů. V roce 2001 definitivně vyřešili „neutrinový skandál a prokázali, že třetinový tok neutrin ze Slunce v Davisově experimentu souvisel s oscilacemi neutrin.

Schéma principu měření oscilací v Sudburské neutrinové observatoři v Kanadě.
Zdroj: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Dnes se pozorují i oscilace neutrin z umělých zdrojů. Za všechny experimenty jmenujme CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) v CERN. Protony urychlené v urychlovači SPS jsou namířeny do útlumového členu, kde vznikají nabité piony a kaony, jejichž směr je možné ovlivnit magnetickým polem. Tyto částice se posléze rozpadají (především na mionová neutrina) a vzniklý svazek je směrován skrze Zemi do italské laboratoře pod horou Gran Sasso, kde jsou neutrina chytána například v detektoru OPERA (viz AB 45/2010). Jako jeden z mála detektorů je toto zařízení citlivé i na tauonová neutrina. V roce 2010 zde byla prokázána poslední hledaná oscilace – mionového neutrina na tauonové.

Takaaki Kadžita / Takaaki Kajita (Higašimacujama, 1959)

Takaaki Kadžita je japonský fyzik, který se narodil dne 9. března 1959 v japonském městě Higašimacujama (Higashimatsuyama) v prefektuře Saitama. V roce 1981 dokončil studia na Saitamské univerzitě, doktorát získal na Tokijské univerzitě v roce 1986. Od roku 1988 na Tokijské univerzitě pracuje, a to v Institutu pro kosmické záření. V roce 1999 se stal profesorem. V současnosti je ředitelem tohoto ústavu. Většinu života zasvětil výzkumu neutrin na detektoru Kamiokande a jeho následovníku Super-Kamiokande. K nejvýznamnějším úspěchům patří objev oscilací neutrin z roku 1998, který vysvětlil nízký počet neutrin detekovaný z termojaderného kotle v nitru Slunce. Na své cestě od Slunce k nám se neutrina mění na jiné druhy, a proto detektory citlivé jen na elektronová neutrina nesledují veškerý tok neutrin. Kadžita byl vedoucím vědecké skupiny, která pozorovala různou skladbu atmosférických neutrin (neutrin vzniklých při průletu kosmického záření horními vrstvami atmosféry) přicházejících z oblasti nad detektorem a z oblasti pod detektorem. Neutrina proletivší celou Zemí podlehla oscilaci a změnila poměr mionových a elektronových neutrin. Oscilace neutrin je možná jedině tehdy, pokud mají alespoň některá neutrina nenulovou klidovou hmotnost. Objev se stal průlomem nejen ve fyzice neutrin, ale v celé částicové fyzice. Takaaki Kadžita obdržel za své průkopnické práce celou řadu cen a v roce 2015 získal ocenění nejvyšší – Nobelovu cenu za fyziku spolu s kanadským vědcem Arthurem McDonaldem, vedoucím vědeckého týmu v Sudburské neutrinové observatoři, kde v roce 2001 prokázali oscilace slunečních neutrin.

Takaaki Kadžita / Takaaki Kajita (Higašimacujama, 1959)

Arthur Bruce McDonald (Sydney, 1943)

Arthur Bruce McDonald je kanadský fyzik, který se narodil 29. srpna 1943 v Sydney (Nové Skotsko, Kanada). V roce 1965 dokončil studia na Dalhousijské univerzitě v Halifaxu (Nové Skotsko, Kanada). Doktorát získal na CALTECHu v roce 1969. V letech 1970 až 1982 pracoval v laboratoři CRNL (Chalk River Nuclear Laboratories). V roce 1982 se stal profesorem v Princetonu. V roce 1989 přesídlil na Queen's University v Ontariu (název připomíná královnu Viktorii, která univerzitu v roce 1841 založila), kde je v současnosti předsedou vědecké rady univerzity a členem vědecké rady Kanadského institutu pro teoretickou fyziku (Perimeter Institute for Theoretical Physics), jehož oblíbené označení je PI. Arthur McDonald zasvětil většinu života výzkumu neutrin. Je ředitelem Sudburské neutrinové observatoře, kde vedl vědecký tým, který v roce 2001 objevil oscilace slunečních neutrin, a přispěl tak k vyřešení záhady nízkého toku neutrin ze slunečního nitra. McDonald je nositelem řady medailí a ocenění (je například nositelem medaile Benjamina Franklina z roku 2007). Nejvyšší ocenění – Nobelovu cenu za fyziku – získal v roce 2015 spolu s japonským fyzikem Takaakim Kadžitou, jehož tým prokázal oscilace atmosférických neutrin v detektoru Super-Kamiokande v roce 1998.

Arthur Bruce McDonald (Sydney, 1943)

Odkazy