30-4 Mazané neutríno

30-4 Mazané neutríno

Po protóne a neutróne, ktoré tvoria jadro atómov, a po elektróne, ktorý sa vyskytuje v elektrónovom obale atómu, fyzici začali objavovať jednu časticu za druhou. Tieto častice sa síce nevyskytujú v jadre atómu nepretržite, predsa hrajú v procesoch jadra dôležitú úlohu.

Zo začiatočných skúmaní rádioaktívneho beta rozpadu sa vedelo, že niečo nie je úplne v poriadku s energetickou bilanciou rozpadu. V prípade rádioaktívneho alfa rozpadu daného jadra častica mala vždy presne definovanú kinetickú energiu – nie viac, nie menej, ale vždy presne danú hodnotu energie. Je to jednoduchým dôsledkom zákona zachovania energie a zákona zachovania hybnosti. V prípade rádioaktívneho beta rozpadu daného jadra však situácia bola iná, kinetická energia beta častice vykazovala veľký rozptyl energie – raz bola väčšia, raz zase menšia, než vo väčšine prípadov. Pri rádioaktívnom rozpade jadra konkrétneho izotopu atómu sa dá očakávať, že uvoľnená energia bude vždy rovnaká. Predpokladali, že pri vyžiarení beta častice sa z jadra – súčasne s vyžiareným elektrónom – musí uvoľniť aj iná častica, ktorá odnáša chýbajúcu časť energie rozpadu. Ak je to pravda, z jadra sa uvoľnia dve častice súčasne, zákon zachovania energie a zákon zachovania hybnosti jednoznačne neurčia, že ako sa rozdelí energia rozpadu medzi novo vytvoreným jadrom a dvojicou vyžiarených častíc. Nakoľko s bilanciou elektrického náboja v rádioaktívnom beta rozpade sa neukazoval žiadny problém, ten sa zachovával, predpokladali, že druhá častica (častica, ktorá je vyžiarená spolu s elektrónom) musí byť elektricky neutrálna. Z iných úvah zase vychádzalo, že hmotnosť tejto druhej častice musí byť menšia, omnoho menšia, ako hmotnosť elektrónu. (Fyzici sa dlho domnievali, že hmotnosť tejto častice, ktorá sprevádza beta časticu je nulová, podobne, ako hmotnosť fotónu.) Fermi pomenoval túto časticu neutríno (taliansky zdrobnenina od neutrálnej, teda „maličká neutrálna“). Neutríno nemá elektrický náboj, nepôsobia na neho ani jadrové sily a má malú hmotnosť, prechádza preto neuveriteľnou ľahkosťou cez všetky druhy hmoty. Veľmi hutná betónová, či olovená stena zrovna tak nevie zastaviť prúd neutrín, ako nevie zastaviť roj komárov drôtený plot. Tok neutrín by dokázala oslabiť na polovinu len olovená stena hrúbky niekoľkých svetelných rokov. Neutrína unikajú z jadrových reakcií nepozorované, odnášajúc pritom časť energie a hybnosti – to je zdrojom nevyrovnanej energetickej a hybnostnej bilancie, ktorá tak desila fyzikov: desil ich rozdiel medzi množstvom vchádzajúcej a množstvom vychádzajúcej energie (a tiež hybnosti) v danej jadrovej reakcii. Pokiaľ však fyzici majú opodstatnené podozrenie o existencii novej častice, je to len otázka času, aby ju lapili.

Prvé experimentálne náznaky existencie teoreticky zavedenej častice bol spätný ráz pozorovaný pri rozpade jadier. Nestabilný izotop 7Be často emituje pozitrón, pričom sa premení na stabilný izotop 7Li. Tento rozpad popisuje nasledujúca rovnica, v ktorej ν je symbol neutrína:

Namiesto uvedeného procesu sa však občas stane, že jadro 7Be zachytí z najbližšej elektrónovej vrstvy (vrstva K) elektrón, a premení sa na príslušný izotop lítia (7Li) takýmto spôsobom:

Pridanie záporného elektrického náboja k jadru je to isté, ako strata jedného kladného elektrického náboja. To, čo sa udeje po zachytení elektrónu nestabilným jadrom, je vyžiarenie elektricky neutrálneho neutrína a spätný ráz jadra, ktorý sprevádza „vystrelenie“ neutrína s  veľkou hybnosťou – spätný ráz jadra 7Li je dôsledkom zákona zachovania hybnosti. Nakoľko neutríno nezanecháva stopu v hmlovej komore, pozoruje sa len to, že atóm berýlia 7Li (ktoré bolo predtým 7Be) sa z ničoho nič pohne. Tento jav bol skutočne pozorovaný v  hmlovej komore, ktorá obsahovala nestabilné jadrá 7Be, a jednal sa o prvý, aj keď nepriamy dôkaz existencie neutrína.

Úplný dôkaz neutrínovej hypotézy vyžadoval priamo zachytenie neutrína na jeho trajektórii. Napriek neuveriteľnej schopnosti neutrín nezúčastniť sa interakcií, fyzikom sa v roku 1955 podarilo pár neutrín zaregistrovať priamo, čím dokázali ich existenciu nad akúkoľvek pochybnosť. Fyzici Los Alamoského výskumného laboratória F Renies² a C. Cowan³ použili zrážky neutrín a protónov, pri ktorej neutríno hrá úlohu vo vzniku pozitrónu a premeny protónu na neutrón:

Renies a Cowan vybudovali obrovský detektor častíc, ktorý bol schopný na registráciu neutrónov aj pozitrónov, a tento detektor dali do blízkosti jadrového reaktoru. Jadrové reakcie prebiehajúce v jadrovom reaktore produkujú obrovské množstvo neutrín, ktoré bez problémov prechádzajú hrubými tieniacimi stenami reaktoru zachycujúce akékoľvek iné žiarenie. Pravdepodobnosť toho, že neutríno sa zrazí s protónom a prebehne vyššie uvedená reakcia je však mimoriadne malá, je to len 1 : 1030. Pokiaľ však taká reakcia prebehne, potom neutrón a pozitrón vzniknú v tom istom okamihu (v koincidencii). Nepolapiteľné neutríno sa tak predsa bolo polapené, a bolo zapísané do spoločnosti dobre známych častíc.