Zaujímavosti

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 neustálemu prechodu neutrín z 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 z Technickej univerzity v Mníchove sa preto vôbec po prvýkrát rozhodol pre unikátny krok: preskúmal všetky doterajšie experimenty, ktoré sa priamo alebo nepriamo týkali detekcie neutrín.

Ich závery úplne vyvracajú všetky štandardné modely fyziky a odhaľujú častice, ktoré boli doteraz čisto teoretické.

Subatomárne častice v šiestich „variantoch“

Prvú subatómovú časticu, elektrón, objavil britský fyzik a nositeľ Nobelovej ceny Joseph John Thomson pred viac ako 120 rokmi. Odvtedy fyzici objavili celú plejádu ďalších častíc. Bohatstvo základných stavebných prvkov prírody sa dá vysvetliť hypotézou, podľa ktorej je svet zložený z hmotných kvarkov, ktoré existujú 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 váži približne 207-krát viac ako elektrón a tauón asi 3 477-krát.

Neutrína interagujú so zvyškom hmoty len veľmi slabo a považujú sa 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 vo svojich vlastnostiach.
Tento rozpor medzi teóriou a experimentom predstavuje jeden z najsilnejších dôkazov o existencii neznámych subatómových 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 v smere svojho pohybu. Inými slovami: „boli ľavotočivé,“ zhrnul doktor Marcin Chrzaszcz z Poľskej akadémie vied.

„Nedetekovateľná častica“ – Wolfgang Pauli, nositeľ 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 týchto dvoch základných postulátov. Rakúsky fyzik Wolfgang Pauli prišiel s inou, možno ešte radikálnejšou myšlienkou: čo ak existuje nový typ častice, ktorý jednoducho zatiaľ nevieme pozorovať? Nazval ju „neutríno“, podľa talianskeho výrazu znamenajúceho „malý neutrál“, a zároveň si uvedomil 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 hmoty, ktorá by bola 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 existencie Majoranových častíc, rovnako ako antineutrín, však dodnes chýba.

Neutrína nie sú bez hmotnosti!

„Teória predpokladá, že ak Majoranove neutrína existujú, je možná ich premena… To by znamenalo, že ak neutrína […] nemajú príliš veľkú hmotnosť, potom neutrína s opačným smerom rotácie musia mať veľmi vysokú hmotnosť,“ vysvetľuje doktor Chrzaszcz.

Doktor Siegel dopĺňa: „Neutrína majú nenulovú hmotnosť, ale je neuveriteľne malá. Na dosiahnutie hmotnosti najľahšej častice štandardného modelu — elektrónu — by bolo potrebné 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 veľmi ťažká. To by vysvetľovalo, prečo sme ich zatiaľ nepozorovali,“ dopĺňa doktor Chrzaszcz.

Tieto pravotočivé neutrína sú dnes hlavnými kandidátmi na čiernu hmotu. Súčasné odhady naznačujú, že by mohli tvoriť asi 0,5 – 1,5 % čiernej hmoty. To sa síce zdá málo, ale podľa doktora Siegela je to približne rovnaké množstvo hmoty, ako tvoria všetky hviezdy vo vesmíre dokopy.

Fakt, že neutrína majú hmotnosť, mení pravidlá hry. Podľa Einsteinovej teórie všeobecnej relativity a vzorca $E = mc^2$, častice, ktoré nie sú bez hmotnosti, nesú energiu. To zároveň znamená, že neutrína — ktorých každú sekundu dopadne na každý štvorcový centimeter Zeme 60 miliárd — by sa mohli využívať na výrobu energie.

Súčasný stav výskumu: stopa na obzore

Hoci výskum doktora Chrzaszcza a jeho kolegov odhalil „stopu potenciálneho náznaku, ktorý by mohol súvisieť s pravotočivými neutrínami“, existencia antineutrín zatiaľ potvrdená nebola. Nezodpovedaná zostáva aj otázka pôvodu hmotnosti neutrín, či už ľavotočivých alebo pravotočivých. „Netušíme, či ju získavajú cez väzbu na Higgsov bozón, alebo iným mechanizmom. Celý sektor neutrín môže byť oveľa zložitejší, než si pripúšťame,“ uzatvára doktor 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 Ženeve. Jeho výstavba sa však začne najskôr v roku 2031 a uvedenie do prevádzky by si vyžadovalo ďalších dvadsať rokov. Ako hovorí doktor Chrzaszcz: „Budeme sa musieť obrniť veľkou trpezlivosťou, kým tieto záhadné neutrína uvidíme po prvýkrát.“

Článok bol preložený z francúzskej edície Epoch Times.

Trénujte si mozog s našimi hrami! Sudoku, šachové úlohy, hľadanie rozdielov, solitaire HRAŤ ▶ ZDIEĽAŤ ČLÁNOK