30-8∗ Solárne neutrína

Box 30-4 Solárne neutrína

Už sme hovorili o tom, že energia Slnka, ktorá dopadá na Zem a je zdrojom všetkého života, sa uvoľňuje v jadrovej reakcii v strede Slnka, kde je mimoriadne vysoká teplota. Pri tejto veľmi vysokej teplote, okolo 15 miliónov kelvin, je tepelný pohyb jadier vodíka dostačujúci k občasnému prekonaniu odpudivých síl ostatných vodíkových jadier (protónov), a občas dôjde k zlúčeniu 4 protónov do jadra 4He. Len občas dochádza k  tejto reakcii. Keby sa takto zlúčili hneď všetky vodíkové jadrá do hélia, Slnko by vybuchlo ako obrovská termonukleárna bomba – Slnko ale pokojne svieti už asi 5 miliárd rokov, od okamihu, keď sa táto termonukleárna reakcia spustila prvý krát (a bude to takto ešte asi tak ďalších 5 miliárd rokov).

Trochu detailnejšie, reakcia, ktorá je prvou reakciou tzv. protón-protónového kanálu, je (teraz nebudeme počítať uvoľnenú energiu, preto uvedieme priamo značky častíc a jadier: p protón, d deutérium, e+ pozitrón a νe elektrónové neutríno)

11p + 11p →12d + e+ + ν e.

Môžeme sa presvedčiť o tom, že elektrický náboj sa vďaka objavujúcemu sa pozitrónu zachováva. Elektrón a pozitrón však nesie ešte jeden náboj, ktorý nazývame leptónový náboj, a ten sa tiež zachováva. Je to síce vecou dohody, ale fyzici sa dohodli tak, že elektrón má leptónový náboj + 1. Pozitrón je jeho antičastica, a antičastice majú všetky náboje opačné, nie len elektrický, ale aj leptónový, preto jeho leptónový náboj je − 1. Presné zachovanie leptónového náboja vedie k tomu, že v tejto jadrovej reakcii sa objavuje elektrónové neutríno – zachraňuje leptónový náboj. Elektrónové neutríno má leptónový náboj + 1, kým jeho antičastica, elektrónové antineutríno má leptónový náboj − 1. V napísanej jadrovej reakcii jeden z protónov sa premenil na neutrón, a táto premena je sprevádzaná vyžiarením pozitrónu (e+) a elektrónového neutrína νe. Proces je veľmi málo pravdepodobný, lebo okrem zrážky dvoch protónov až „na doraz“, aby sa prejavila jadrová sila medzi nimi, jedna z nich sa musí premeniť na neutrón (to sa výhradne riadi slabou interakciou). Vďaka tomu je priemerná doba života protónu v Slnku okolo 10 miliárd rokov, a deutériových jadier je teda veľmi málo. Namiesto priamočiarej reakcie d + d →4He prebehne celý rad iných reakcií, ktoré nevyžadujú slabú interakciu (v ktorej by vznikalo neutríno). Tieto reakcie preberať nebudeme, lebo napriek svojej zložitosti je výsledok všetkých reakcií taký, akoby sa zlúčili štyri protóny priamo do jadra 4He, čo sme už raz napísali, ale teraz napíšeme podrobnejšie vzhľadom na slabú interakciu

4p →24He + 2e+ + 2ν e.

Celková uvoľnená energia je 26,7 MeV = 4,30 × 10−12 J, ktorá je sprevádzaná dvomi elektrónovými neutrínami.

Tu, v druhej polovine 60-ych rokov, začal príbeh byť napínavý ako v  detektívke. Energii, ktorá sa uvoľní v strede jadra Slnka, trvá, než sa dostane na povrch Slnka (odkiaľ sa vyžiari do vesmíru) rádovo 200 000 rokov. To znamená, že svetelné žiarenie, ktoré v tomto okamihu dopadá na Zem, a v ktorom sa čitateľ môže opaľovať, vzniklo z energie uvoľnenej v  jadrovej reakcii v strede Slnka, niekedy v dobe, keď sa na Zemi objavil prvý anatomicky moderný človek (teda taký, ktorý vyzeral ako my).¹¹

Príbeh neutrín je ale iný. Neochotne interagujú s hmotou. Zo Slnka vyletia väčšinou prakticky rýchlosťou svetla, a behom cca. 2 sekúnd už letia vesmírom. K Zemi im trvá ďalších 8 minút, kde ich môžeme registrovať. Kým slnečný svit hovorí, že čo sa dialo v strede Slnka pred 200 000 rokmi, neutrína hovoria čo sa tam deje teraz.

Fyzici v polovine 60-ych rokov samozrejme boli zvedaví, že čo sa deje práve teraz, a keď detektory na neutrína už boli dostatočne citlivé, americký astrofyzik a chemik Ray Davis¹² navrhol a vykonal experiment pre zachytenie neutrín zo Slnka (ktorým sa začalo hovoriť solárne neutrína). Potrebné výpočty o  očakávanom počte neutrín vykonal americký astrofyzik J.N. Bahcalla, jeden z najväčších odborníkov na fyzikálne modely Slnka. Keď vyhodnotili výsledky zo špeciálne skonštruovaného neutrínového detektoru¹³ zostali zaskočení. Dve tretiny neutrín chýbali. Bahcallove výpočty vychádzali z predpokladu, že Slnko stále pracuje rovnako už dobrých pár miliárd rokov, preto reakcie v strede Slnka prebiehajú stále rovnakým tempom, akým tempom prebiehali pred 200 tisíc rokmi, a akým tempom povrch Slnka vyžaruje energiu dnes.

Na povrch Zeme, na jeden meter štvorcový, dopadá zo Slnka každú sekundu 1370 J energie, a táto energia bola vytvorená určitým počtom jadrových reakcií, v ktorých sa štyri protóny zlúčili do jedného jadra 4He. Pri jednej tejto reakcii sa uvoľní 26,7 MeV = 4,30 × 10−12 J energie. 1370 J energie vyžaduje celkom

1370 J 4,30 × 10−12 J ≈ 3 × 1014

reakcií, pričom sa uvoľnia dve elektrónové neutrína. Jediným metrom štvorcovým by musel každú sekundu preletieť 6 × 1014 neutrín (to je 60 miliárd na každý centimeter štvorcový za sekundu). To, čo registrovali, zodpovedalo len tretine tohto množstva. To by muselo znamenať, že momentálne je aktivita v strede Slnka 3-krát menšia, než v  minulosti. Vďaka tomu, že energii potrvá 200 tisíc rokov, než sa dostane na povrch, načŕtala sa doslovne mrazivá budúcnosť. Ak sú všetky údaje a naše znalosti správne, niekedy v nasledujúcich 200 tisíc rokov výkon, ktorým Slnko žiari, klesne až na jednu tretinu dnešnej hodnoty – to sa môže začať prejavovať o 200 tisíc rokov, ale tiež kľudne zajtra. Keby sa to malo stať, malo by to pre život na Zemi nedozerné následky. Priemerná teplota na Zemi by všade klesla približne o 70 °C.

Už v roku 1957, 10 rokov pred vykonaním experimentu so solárnymi neutrínami, upozornil taliansky fyzik Bruno Pontecorvo¹⁴ na možnosť, že neutrína by mohli mať hmotnosť. Pokiaľ majú hmotnosť, môže dochádzať k  tzv. oscilácii neutrín. Čo pod tým máme rozumieť?

Poznáme tri rodiny leptónov. Jednu rodinu tvoria elektrón (e−), elektrónové neutríno (νe) a ich antičastice, druhú rodinu mión (μ−) a miónové neutríno (νμ) a ich antičastice, a tretiu rodinu tauón (τ−) a tauónové neutríno (ντ) a ich antičastice. Každá táto rodina má svoje vlastné leptónové čísla ℓe,ℓμ,ℓτ, a každé toto leptónové číslo sa zachováva sám o sebe – toľko hovorí štandardný model častíc predpokladajúc nulovú hmotnosť neutrín – štandardný model je dnes najlepším uznávaným modelom, ktorý máme. Samostatné zachovávanie leptónových čísiel pre všetky rodiny vidíme v  rozpade miónu

μ−→ e− + ν μ + ν̄e.

Mión má miónové leptónové číslo ℓμ = +1, ale elektrónové (tiež tauónové) leptónové číslo má nulové (ℓe = 0,ℓτ = 0). Jeho rozpadom vzniká elektrón, čim sa zachová elektrický náboj. Elektrón však má nenulové len elektrónové leptónové číslo (ℓ = +1), preto v  rozpade musia vzniknúť dve ďalšie (elektricky neutrálne) častice, ktoré pomôžu vyrovnať bilanciu všetkých leptónových čísiel. Miónové neutríno má miónové leptónové číslo ℓμ = +1, kým elektrónové antineutríno má (ako antičastica) elektrónové leptónové číslo ℓe = −1. Experimenty tento rozpad potvrdzujú.

Pontecorvo tvrdil, že pokiaľ neutrína majú hmotnosť a majú rôzne hmotnosti, budú sa premieňať cyklicky jedna v druhú (elektrónové do miónových a miónové do elektrónových – v tú dobu tauónové neboli známe). Potrebujú k tomu len čas. Raymondov detektor bol však citlivý len na elektrónové neutrína, na ostatné nie. Pokiaľ sa elektrónové neutrína, dve tretiny z nich, cestou premenili na miónové tauónové neutrína, tie nemohol registrovať.

Dnes vieme (práve vďaka výskumu neutrín motivovaných problémom solárnych neutrín), že pokojová energia neutrín je nenulová a je menšia, než 1,1 eV, čo znamená, že od elektrónu (najľahšia častica, ktorú sme poznali, ak nepočítame fotón s nulovou hmotnosťou) je aspoň 500 tisíckrát ľahšia.

Dodatočné experimenty, ktoré sa konali aj pomocou neutrín z jadrových reaktorov a z neutrín produkovaných v urýchľovačoch osciláciu neutrín potvrdili a dnes vieme, že neutrína hmotnosť majú a premieňajú sa týmto zvláštnym spôsobom medzi sebou. V jadrových reakciách tento efekt sa neprejaví, lebo neutrína, ak vôbec, detegujeme na ich prvých pár metroch od miesta ich vzniku. Neutrína z týchto reakcií majú vysokú energiu, a vďaka dilatácii času sa oscilácia ešte neprejaví. Ak by sme ich však sledovali ďalej na ich púti, zistili by sme, že sa premieňajú cyklicky na iné typy neutrín. Čím budú mať menšiu energiu, tým budú relativistické efekty menšie a bude sa diať rýchlejšie. S touto vlastnosťou si Štandardný model zatiaľ nevie rady k plnej spokojnosti fyzikov.

Helioseizmické pozorovania¹⁵ potvrdili, že teplota v strede Slnka nepoklesla, počet produkovaných neutrín by mala byť taká, ako je už za posledných pár miliárd rokov.

Úplné uspokojenie však priniesli posledné registrácie neutrín. V Kanade postavili obrovský detektor SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Bol uvedený do činnosti v roku 1999 a zbieral dáta do konca roku 2006. Detektor bol 2100 metrov pod povrchom Zeme. Predstavoval guľu s polomerom 6 metrov, ktorá bola naplnená 1000 tonami ťažkej vody (Kanada poskytla veľkú časť svojich zásob). Detektor bol citlivý len na neutrína zo špeciálnej reakcie protón-protónového kanálu, kde neutrína mali energiu 5 až 15 MeV. Vďaka tomu boli schopní registrovať všetky tri typy neutrín (elektrónové, miónové aj tauónové) pomocou Čerenkovovho žiarenia (pri občasnej pružnej zrážke s elektrónmi elektróny prekročili rýchlosť svetla v ťažkej vode a voda zažiarila). Vďaka Čerenkovovmu žiareniu vedeli aj to, že registrované neutrína prichádzaju zo smeru, kde je Slnko (zo Slnka). Po sčítaní všetkých typov neutrín sa potvrdilo, že žiadne neutrína už nechýbajú. Všetky zo Slnka pekne dorazili, aj keď 2/3-ny elektrónových sa zmenili na miónové a tauónové.

Problematika solárnych neutrónov bola ocenená celkom štyrmi Nobelovými cenami, keď v roku 2015 bola prisúdená spoločne (dielom 1/4 a 1/4) kanadskému fyzikovi Arthurovi B. McDonaldovi¹⁶ a japonskému fyzikovi Takaakimu Kajitovi¹⁷

Neutrína pripomínajú slávnu postavu (postavy) Dr. Jeckyll a Mr. Hyde z  rovnomennej novely škótskeho autora Roberta Louisa Stevensona. V novele Dr. Jeckyll sa premieňa nie len duševne, ale aj fyzicky na svoju druhú stránku Mr. Hyde. Mr. Hyde sa potom po určitom vyčíňaní zase mení naspäť fyzicky na Dr. Jecjyll-a. Niečo takého vo svete častíc je prekvapivé. Je prekvapivé (lebo sme sa s tým doteraz nestretli), že elektrónové neutríno sa nerozpadne na miónové a tauónové neutríno – nie je to definitívne. Miónové neutríno takto vzniknuté sa mení naspäť na elektrónové a mení sa aj na tauónové, a podobne tauónové sa mení na elektrónové a miónové.