Neutrino

Neutrino
Obecné vlastnosti
Klasifikace	Elementární částice Fermiony Leptony
Symbol(y)	νe,νμ,ντ
Antičástice	antineutrino
Fyzikální vlastnosti
Klidová hmotnost	< 0,084eV/c2
Elektrický náboj	0e
Spin	1⁄2
Stř. doba života	stabilní
Interakce	slabá interakce
Historie
Předpověď	νe:Wolfgang Pauli(1930)
Objev	νe:Clyde CowanaFrederick Reines(1956), νμ:Leon Lederman,Melvin SchwartzaJack Steinberger(1962), ντ:DONUT(2000)

Neutrinoaantineutrinojsouelementární částiceze skupinyleptonů.Neutrino vzniká při jaderných reakcích, které zahrnujíbeta rozpad.Máspin$\hbar /2$,a proto patří mezifermiony.Jehohmotnostje velmi malá ve srovnání s většinou elementárních částic, avšak poslední experimenty ukazují, že je nenulová. Jehoelektrický nábojje nulový, nepůsobí na něj anisilná,anielektromagnetickáinterakce,ale jenslabá interakcea velmi málo takégravitace.Nereagují proto prakticky vůbec s okolním prostředím a je velmi obtížné jedetekovat.Jde o stabilní částice – nepodléhají tedysamovolnémurozpadu.

Historie

Snímek první detekce neutrina vbublinkové komoře

Neutrino poprvé předpovědělWolfgang Pauliroku1931,kdy vysvětlil spektrumbeta rozpadu– rozpaduneutronunaprotona elektron. Pauli předpověděl vznik nedetekované částice o energii a momentu hybnosti rovným pozorovanému úbytku těchto hodnot u produktů oproti původním částicím. Vzhledem k jejich malé reaktivnosti trvalo 25letod vyslovení hypotézy o jejich existenci k jejímu experimentálnímu ověření. Roku1956Clyde Cowan,Frederick Reines,F. B. Harrison, H. W. Kruse, a A. D. McGuire zveřejnili článekDetekce volných neutrin: potvrzenov časopiseScience.Tento výzkum byl později odměněnNobelovou cenou za fyziku.

Název neutrino vytvořilEnrico Fermi,autor první teorie popisující chování neutrin. Jde v podstatě o slovní hříčku: vitalštiněznamenáneutrone(název pro neutron) velký a neutrální, kdežtoneutrinoznamená malý a neutrální.

Roku1962Leon Lederman,Melvin SchwartzaJack Steinbergerdokázali existenci více typů neutrin tím, že detekovalimionováneutrina. Když byl vSLACroku1975poprvé pozorován třetílepton(τ –tauon), začala se předpokládat i existence odpovídajícího neutrina. První důkaz existence třetího neutrina bylo pozorování chybějící energie a momentu hybnosti přitau rozpadupodobnému beta rozpadu. První pozorování interakce tauonového neutrina oznámil projektDONUTveFermilabu,čímž došlo k objevu poslední částicestandardního modelu,jejíž interakce před tím nebyla pozorována.

Druhy neutrin

Přehled neutrin

Fermion	Symbol	Hmotnost
Rodina elektronu
Elektronové neutrino	$\nu _{e}\,$	< 0,12 eV
Elektronové antineutrino	${\bar {\nu }}_{e}\,$	< 0,12 eV
Rodina mionu
Mionové neutrino	$\nu _{\mu }\,$	< 170 keV
Mionové antineutrino	${\bar {\nu }}_{\mu }\,$	< 170 keV
Rodina tauonu
Tau neutrino	$\nu _{\tau }\,$	< 18 MeV
Tauonové antineutrino	${\bar {\nu }}_{\tau }\,$	< 18 MeV

Jsou známy tři typy neutrin:elektronovéneutrinoν_e,mionovéneutrinoν_μatauonovéneutrinoν_τ,pojmenované podle jim odpovídajícíchleptonůmvestandardním modelu(viz tabulka). Zatím nejlepší odhad počtu neutrin byl zjištěn pozorovánímrozpadubosonu Z.Tatočásticese může rozpadat na kterékoli neutrino a jehoantineutrino.Jeho doba života tak závisí na počtu druhů neutrin: čím více druhů neutrin, tím více možností rozpadu, a tak i kratší doba života. Měření, která v roce 2003 sumarizoval Eidelman, ukazují, že počet typů lehkých neutrin (o hmotnosti < 1MeV) je 2,984 ± 0,008.

Těžké neutrino

Přestože uvedené výsledky naznačují, že nemůže existovat více typů lehkých neutrin, není vyloučena existence rodinyčástic,která by obsahovala velmi těžké neutrino.Náznaky, ukazující na existenci takových neutrin, se hledají při spuštění každého nového „nejvýkonnějšího “urychlovače.

Sterilní neutrino

Sterilní neutrinoje hypotetická částice, která by oproti třem dosud známým neutrinům neměla podléhatslabé interakci,ale měla by na ni působit jengravitace,a proto jsme jej dosavadními typy detektorů nebyli schopni zaznamenat.Předpověděli je fyzikové z americkéFermiho laboratoře,kteří při experimentuMiniBooNE(Mini Booster Neutrino Experiment) zjistili víceoscilací neutrin,než očekávali.Pokud by se prokázala existence sterilního neutrina, bylo by kandidátem na vysvětlení podstatytemné hmotyve vesmíru.Sterilní neutrino ale pravděpodobně neexistuje.

Vlastnosti

Účinný průřezproslabou interakcineutrin je velmi malý, proto neutrina procházejí běžnou hmotou (např. celouZemí) většinou bez jakékoli reakce. Např. jedním cm² lidského těla proletí za 1 sekundu asi 60 miliard neutrin.

Slunceemituje neutrina o energii několikaMeV:k zachycení aspoňpolovinyz nich by bylo třeba blokolovao tloušťce asijedensvětelný rok(~10¹⁶m). Detekce neutrin zvesmíruje tedy velmi náročná a vyžaduje velmi rozměrnédetektory.Jinou možností výzkumu jejich vlastností je produkovat uměle svazky neutrin o velkéenergii.

Hmotnost

V současné době je široce přijímáno, že neutrina jsou hmotná.Standardní modelpůvodně předpokládal, že jsou neutrina nehmotná, avšak přidání hmotnosti neutrin do tohoto modelu není obtížné a poslední experimenty ukazují, že neutrina opravdu majíhmotnost.

Nejpřísněji klade horní hranici hmotnostikosmologie.Modelvelkého třeskupředpokládá, že je tu stálý poměr počtu neutrin afotonůvkosmickém záření.Kdyby celková hmotnost všech třech typů neutrin překročila 50eV(na neutrino), bylo by ve vesmíru tolik hmoty, že by se zhroutil. Tuto hranici by šlo překonat předpokladem, že je neutrino nestabilní, avšak toto by bylo obtížné začlenit do Standardního modelu.

Oscilace neutrin

Když se postavily první detektory neutrin, měření zachycovala stopy mnohem méně elektronových neutrin, než byl teoretický předpoklad.Mohlo to znamenat, že naše představy o procesech probíhajících veSluncijsou chybné. Řešením problému by mohla být například nižší teplota uvnitřSlunce,ale to neodpovídá jiným měřením. Jakonejpravděpodobnějšíse jevilaoscilace neutrin– děj, při němž se mění typ neutrina. Aby takovátohypotézamohla platit, musí mít neutrina nenulovouhmotnost.

Oscilace neutrin byly potvrzeny v několika experimentech a byly již experimentálně určeny i některé jeho parametry (vybrané směšovací úhly).

Domnělá nadsvětelná rychlost

Detektor neutrin OPERA

Při pokusech v rámciexperimentu OPERAbyla v listopadu 2011 jednomu druhu neutrin (mionovým neutrinům) naměřena nepatrněnadsvětelná rychlost.Vzdálenost 731 km z evropského střediskaCERNve Švýcarsku do italského podzemního detektoru vGran Sassopřekonala neutrina podle měření o 60nanosekundrychleji, než kdyby letěla rychlostí světla. Přesnost měření přitom vědci spočítali na 10–15 nanosekund.

Tento výsledek by byl ve sporu se současnými představamirelativistickéfyziky,a proto se hledaly chyby experimentu, které by umožnily jeho vyvrácení. Jedna možná technická chyba mohla spočívat voscilátorupoužívaném k tvorbě časových značek pro synchronizaciGPS,druhá v časové kalibraci připojeníoptického vláknapřivádějícího externí GPS signál k řídicím hodinám.Jako potenciální metodická chyba byla zkoumána také nesprávná relativistickásynchronizacehodin.Sesterský experiment ICARUS, hledající energetické projevy nadsvětelných neutrin, žádné nezaznamenal,a novým měřením rychlosti neutrin v r. 2012 vyvrátil její nadsvětelnost.

Nakonec v r. 2012 i tým OPERA potvrdil po revizi a započtení přístrojových vlivů nesprávnost předchozích výsledků.

Zdroje neutrin

V současné době je známo 5 zdrojů neutrin detekovatelných na Zemi.

• Sluncea dalšíhvězdy– Přitermonukleární fúzi,která je hlavním energetickým zdrojemSlunce,jsou neutrina jedním z výsledných produktů.
• Supernovy– Neutrina vznikají nejen v „běžných “hvězdáchjako je Slunce, ale také při výbuchusupernovy.Raymond Davis Jr.aMasatoši Košibabyli roku2002odměněniNobelovu cenu za fyzikuza jejich práci na detekci neutrin v kosmickém záření.
• Atmosféra– Při interakcikosmického zářenísatomyatmosféryvzniká množstvíčástic,mimo jiné i neutrina.
• Planeta Země– Vnitru Zeměvznikají neutrina v důsledku přirozenéhoradioaktivního rozpaduhornin.
• Umělé zdroje–Jaderné elektrárnyjsou nejvýznamnějším zdrojem neutrin v důsledku lidské činnosti. V běžné jaderné elektrárně vzniká každou sekundu přes 50 000 neutrin. Neutrina rovněž vznikají vurychlovačích částic.

Reliktní neutrina

Podrobnější informace naleznete v článkuReliktní neutrina.

Kromě výše uvedených pěti zdrojů se předpokládá, že je celývesmírvyplněn neutriny, vzniklými v raných horkých dobáchvesmíru,těsně povelkém třesku.Z výpočtu se odhaduje jejich hustota na 340 cm⁻³a teplota 1,95K.Vzhledem k nízkéenergiije jejich přímá detekce současnými prostředky nemožná.

Detektory neutrin

Podrobnější informace naleznete v článkuNeutrinový detektor.

K detekci neutrin lze využít tři procesy:

• interakci neutrin snukleony,
• pružný rozptyl neutrina naelektronunebojádru,
• interakce vysokoenergetických neutrin s protony za vznikumionůμ.

Protože neutrina interagují jen velmi omezeně s jakoukoliv hmotou, jsou detektory neutrin vždy velká zařízení. Jsou obvykle umístěna pod zemí, aby se omezil vliv ostatníchčástic.

Detektory:

• Antarctic Muon And Neutrino Detector Array
• Project DUMAND
• Super-Kamiokande

Odkazy

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématuFyzika neutrinnaWikimedia Commons
• MARČIŠOVSKÝ, Michal. Pohybujú sa neutrína nadsvetelnou rýchlosťou?.Aldebaran Bulletin[online]. 2011-09-30 [cit. 2011-10-02].Dostupné online.

Autoritní data	NKC:ph123272 PSH:3700 BNF:cb12041797n(data) GND:4171614-0 LCCN:sh85091200 NDL:01021644 NLI:987007565617105171