Miliardy jich právě teď prolétají naším tělem, a přesto je skoro nemožné je zachytit. V rámci výroční Dvořákovy přednášky jsme hostili jednoho z předních světových odborníků na neutrina, profesora Stefana Söldnera-Rembolda, který vede katedru fyziky na Imperial College London.
Söldner-Rembold u nás nebyl poprvé. S ústavem ho pojí spolupráce, která sahá až do konce 90. let. „Připadá mi to tu jako druhý vědecký domov,“ zavtipkoval fyzik hned v úvodu. Jeho kariéra prošla největšími laboratořemi oboru, například DESY, CERN a Fermilab. Svou přednášku pak otevřel tématem, kterému zasvětil podstatnou část své kariéry: neutriny.
Všude kolem nás, a přesto neviditelná
Neutrina jsou nejhojnější částice hmoty ve vesmíru. Na každý proton, neutron a elektron připadá zhruba miliarda neutrin. Přesto je téměř nemožné je zachytit. Nemají elektrický náboj, jejich hmotnost je nepatrná a běžnou hmotou, a tedy i námi, prolétají takřka beze stopy.
Právě tato nepolapitelnost je činí zajímavými. Ve Standardním modelu, tedy v teorii popisující známé částice a síly, mají neutrina zvláštní postavení. Söldner-Rembold to ukázal na známé „částicové zoo“, v níž jsou částice seřazené podle hmotnosti jako zvířata. Nejtěžší elementární částice top kvark v něm odpovídá plejtváku obrovskému, neutrina pak patří k těm nejmenším tvorům na opačném konci stupnice.
Fyzici a fyzičky tuší, že právě tyto nepatrné částice mohou pomoci zodpovědět mnohem větší otázku. Proč je vesmír vůbec tvořen hmotou, místo aby se krátce po Velkém třesku sám rozplynul v čistou energii?
Částice, která se vymyká
Hned poté Söldner-Rembold upozornil, že dlouhodobě používaný zvěřinec částic je zastaralý. Hmotnost neutrin je totiž podle dnešních měření mnohem nižší, než obrázek naznačuje. „Kdybychom zůstali na téhle stupnici, mělo by neutrino velikost octomilky,“ upřesnil.
Právě v tom je neutrino jedinečné. Jeho hmotnost je nesrovnatelně menší než u všech ostatních částic Standardního modelu, tedy teorie, která popisuje všechny známé elementární částice a síly mezi nimi. Přesto není nulová. Proč? To patří k největším nevyřešeným otázkám moderní fyziky.
Söldner-Rembold zároveň varoval před zjednodušující představou. „O elementárních částicích intuitivně uvažujeme jako o drobných kuličkách, jenže neutrina jsou ryze kvantové objekty a mají v lecčems blíž k fotonům.“ Kulička by měla jasně danou polohu i dráhu, po které se pohybuje, zatímco částice takhle ostře vymezená není.
Od Slunce do podzemního detektoru
Většina neutrin, která dokážeme pozorovat, vzniká při jaderných dějích. Rodí se ve Slunci, kde je vytváří termojaderná fúze, i při výbuchu supernovy, kde se protony a elektrony slévají na neutrony a uvolňuje se přitom proud neutrin a antineutrin. Neutrina ale vznikají i mimo okolní vesmír, například v jaderných reaktorech, a dokonce přímo pod našima nohama, při rozpadu uranu a thoria v nitru Země.
Typická energie těchto neutrin se pohybuje řádově od jednotek do dvaceti megaelektronvoltů. Má to ale háček. „Neutrina skoro s ničím neinteragují, což je problém,“ vysvětlil fyzik. Neutrino s energií kolem deseti megaelektronvoltů má při interakci s olovem střední volnou dráhu zhruba půl světelného roku. Aby vědci nějaké vůbec zachytili, musejí stavět obří detektory, mít mimořádně intenzivní zdroj neutrin, nebo obojí.
Obojí spojuje experiment DUNE, který Söldner-Rembold čtyři roky vedl. Silný zdroj obstará urychlovač v americkém Fermilabu u Chicaga, odkud svazek neutrin zamíří skrz Zemi až do více než tisíc kilometrů vzdálené Jižní Dakoty. Tam na něj hluboko pod povrchem čeká obří detektor s kapalným argonem.
Po cestě neutrina mění svou vůni, jak nazýváme jejich stav. „Začínáme s mionovým neutrinem a měříme, jak se jeho vůně mění s energií na velké vzdálenosti,“ popsal Söldner-Rembold. Sledují přitom, zda se neutrina chovají jinak než jejich antihmotoví dvojníci, a tedy zda narušují symetrii mezi hmotou a antihmotou.
O Dvořákově přednášce
Dvořákova přednáška patří k prestižním akcím FZU, kterou každoročně vede mezinárodně uznávaný vědec. Nese jméno Vladimíra Dvořáka (1934–2007), fyzika pevných látek, který ústav vedl v letech 1993 až 2001 a stál v čele jeho reforem po roce 1989. Dvořák proslul pracemi o feroelektřině a strukturních fázových přechodech, připomínán je ale i jako vynikající pedagog, který uměl srozumitelně vyložit i náročnou fyziku.