Neutrína nie sú bez hmotnosti: pravotočivé častice spochybňujú doterajšie fyzikálne modely
Pôvodne sa predpokladalo, že neutrína nemajú žiadnu hmotnosť a že po svojom vzniku zostávajú stabilné a ich vlastnosti sa nemenia. Najnovšie výskumy však naznačujú, že dochádza k neustálej premene neutrín jedného typu na druhý. To je možné len vtedy, ak tieto častice majú hmotnosť, a teda aj energiu.
Najmenšie častice vo fyzike rozhodne nie sú „ľahké“ – ani na pochopenie, ani na detekciu. Tím vedcov z Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN v Ženeve), Monashovej univerzity v austrálskom Melbourne a Technickej univerzity v Mníchove sa preto vôbec prvýkrát rozhodol pre unikátny krok: preskúmal všetky doterajšie experimenty, ktoré sa priamo alebo nepriamo týkali detekcie neutrín.
Ich závery spochybňujú štandardný model fyziky a odhaľujú častice, ktoré boli doteraz čisto teoretické.
Subatomárne častice v šiestich variantoch
Prvou subatomárnou časticou bol elektrón. Objavil ho britský fyzik a nositeľ Nobelovej ceny Joseph John Thomson pred viac ako 120 rokmi. Odvtedy fyzici objavili celú plejádu ďalších častíc. Rozmanitosť základných stavebných prvkov prírody sa dá vysvetliť teóriou, podľa ktorej je svet zložený z hmotných kvarkov existujúcich v šiestich variantoch, ako aj z výrazne ľahších leptónov, ktoré sa tiež delia na šesť typov. Leptóny sa delia na záporne nabité (elektróny, mióny, tauóny) a neutrálne (tri príslušné typy neutrín). Mión má hmotnosť približne 207-krát väčšiu ako elektrón a tauón asi 3 477-krát väčšiu.
Neutrína interagujú s ostatnou hmotou len veľmi slabo, a preto sa dlho považovali za častice bez hmotnosti. Moderné výskumy však ukazujú, že tieto častice oscilujú, teda neustále sa premieňajú z jedného typu na druhý. Tento jav znamená, že pozorované neutrína musia mať určitú hmotnosť – aj keď mimoriadne malú.
Štandardný model fyziky však nepripúšťa žiadnu alternatívu: v jeho rámci nemôžu mať neutrína žiadnu hmotnosť a po svojom vzniku by mali zostať stabilné a nemenné.
Tento rozpor medzi teóriou a experimentom predstavuje jeden z najsilnejších dôkazov o existencii neznámych subatomárnych častíc, tzv. antineutrín.
Ľavotočivé a pravotočivé neutrína
Všetky doteraz známe neutrína majú vlastnosť, ktorú fyzici označujú ako „ľavotočivosť“. Vo všetkých experimentoch, ktoré preukázali prítomnosť neutrín, mali tieto častice vždy rovnaký spin a otáčali sa proti smeru hodinových ručičiek vzhľadom na smer svojho pohybu. „Inými slovami, boli ľavotočivé,“ zhrnul fyzik Marcin Chrzaszcz z Poľskej akadémie vied.
Nedetekovateľná častica podľa Wolfganga Pauliho, nositeľa Nobelovej ceny za fyziku
„Vo fyzike častíc existujú dve veličiny, ktoré sú vždy konštantné… Energia, pretože celková energia reaktantov sa vždy rovná celkovej energii produktov; a hybnosť, pretože celková hybnosť všetkých počiatočných častíc sa vždy rovná celkovej hybnosti konečných častíc,“ vysvetlil astrofyzik Ethan Siegel. Pri pozorovaní neutrín však nebola splnená ani jedna z týchto podmienok.
Fyzici ako Niels Bohr preto začali pochybovať o platnosti dvoch základných fyzikálnych princípov. Rakúsky fyzik Wolfgang Pauli však prišiel s inou, radikálnejšou myšlienkou: čo ak existuje nový typ častice, ktorý jednoducho zatiaľ nevieme detegovať? Častica dostala neskôr názov neutríno, podľa talianskeho výrazu znamenajúceho „malá neutrálna častica“, pričom sám Pauli si uvedomoval zásadný problém: „Urobil som niečo strašné: postuloval som časticu, ktorú nie je možné detekovať.“
Približne v rovnakom období predpokladal taliansky fyzik Ettore Majorana existenciu častice, ktorá by bola svojou vlastnou antičasticou. Takáto častica by nemohla niesť elektrický náboj. Keďže všetky častice okrem neutrín elektrický náboj majú, touto časticou by mohlo byť práve neutríno. V roku 1956 sa Pauliho teória napokon potvrdila detekciou prvého neutrína pochádzajúceho z jadrového reaktora. Dôkaz, že antineutrína predstavujú Majoranove častice, však dodnes chýba.
Neutrína nie sú bez hmotnosti!
„Teória predpokladá, že ak Majoranove neutrína existujú, je možná ich premena… To by znamenalo, že ak bežné neutrína majú veľmi malú hmotnosť, potom neutrína s opačným smerom rotácie musia mať veľmi vysokú hmotnosť,“ vysvetľuje Martin Chrzaszcz.
Ethan Siegel dopĺňa: „Neutrína majú nenulovú hmotnosť, ale je neuveriteľne malá. Na dosiahnutie hmotnosti najľahšej ďalšej častice štandardného modelu – elektrónu – by sme potrebovali viac než 4 milióny najťažších neutrín.“
„Ak teda naše neutrína, ktoré sú ľavotočivé, majú veľmi malú hmotnosť, potom by ich pravotočivá verzia – ak by išlo o Majoranove neutrína – musela byť extrémne ťažká. To by vysvetľovalo, prečo sme ich zatiaľ v experimentoch nezaznamenali,“ dopĺňa Chrzaszcz.
Tieto pravotočivé neutrína sú dnes hlavnými kandidátmi na temnú hmotu. Súčasné odhady naznačujú, že by mohli tvoriť asi 0,5 – 1,5 % temnej hmoty. To sa síce zdá málo, ale podľa Siegela je to približne rovnaké množstvo, aké tvorí všetka svietiaca hmota hviezd vo vesmíre dokopy.
Fakt, že neutrína majú hmotnosť, mení pravidlá hry. Podľa Einsteinovej teórie všeobecnej relativity a vzťahu nesú častice s nenulovou hmotnosťou množstvo energie. To zároveň vedie k úvahám, či by sa neutrína – ktorých dopadne každú sekundu na každý štvorcový centimeter Zeme 60 miliárd – mohli využívať na výrobu energie.
Súčasný stav výskumu: stopa na obzore
Hoci výskum Marcina Chrzaszcza a jeho kolegov odhalil stopu potenciálneho náznaku, ktorý by mohol súvisieť s pravotočivými neutrínami, ich existencia zatiaľ potvrdená nebola. Nezodpovedaná zostáva aj otázka pôvodu hmotnosti neutrín, či už ľavotočivých, alebo pravotočivých. „Netušíme, či ju získavajú väzbou na Higgsov bozón alebo iným mechanizmom. Celý sektor neutrín môže byť oveľa zložitejší, než si pripúšťame,“ uzatvára Siegel.
Nádeje sa teraz upierajú na nové experimenty. V najlepšom prípade by pravotočivé neutrína mohol odhaliť nástupca súčasného LHC – budúci kruhový urýchľovač (Future Circular Collider, FCC) v CERN-e v Ženeve. Jeho výstavba sa však začne najskôr v roku 2031 a uvedenie do prevádzky by si vyžadovalo ďalších dvadsať rokov. Ako hovorí fyzik Chrzaszcz: „Budeme sa musieť obrniť veľkou dávkou trpezlivosti, kým tieto záhadné neutrína prvýkrát konečne uvidíme.“
Článok bol preložený z francúzskej edície Epoch Times.
Trénujte si mozog s našimi hrami! Sudoku, šachové úlohy, hľadanie rozdielov, solitaire HRAŤ ▶ ZDIEĽAŤ ČLÁNOK
Váš názor nás zaujíma! Pomôžte nám zlepšovať obsah hodnotením tohto článku.