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,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
[editovat|editovat zdroj]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg/170px-FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg)
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,[1]čímž došlo k objevu poslední částicestandardního modelu,jejíž interakce před tím nebyla pozorována.
Druhy neutrin
[editovat|editovat zdroj]Fermion | Symbol | Hmotnost |
---|---|---|
Rodina elektronu | ||
Elektronové neutrino | < 0,12 eV | |
Elektronové antineutrino | < 0,12 eV | |
Rodina mionu | ||
Mionové neutrino | < 170 keV | |
Mionové antineutrino | < 170 keV | |
Rodina tauonu | ||
Tau neutrino | < 18 MeV | |
Tauonové antineutrino | < 18 MeV |
Jsou známy tři typy neutrin:elektronovéneutrinoνe,mionovéneutrinoνμatauonovéneutrinoντ,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.[2]
Těžké neutrino
[editovat|editovat zdroj]Přestože uvedené výsledky naznačují, že nemůže existovat více typů lehkých neutrin, není vyloučena existence rodinyčástic,která by obsahovala velmi těžké neutrino.[3]Náznaky, ukazující na existenci takových neutrin, se hledají při spuštění každého nového „nejvýkonnějšího “urychlovače.
Sterilní neutrino
[editovat|editovat zdroj]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.[4]Předpověděli je fyzikové z americkéFermiho laboratoře,kteří při experimentuMiniBooNE(Mini Booster Neutrino Experiment) zjistili víceoscilací neutrin,než očekávali.[5]Pokud by se prokázala existence sterilního neutrina, bylo by kandidátem na vysvětlení podstatytemné hmotyve vesmíru.[4]Sterilní neutrino ale pravděpodobně neexistuje.[6]
Vlastnosti
[editovat|editovat zdroj]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.[7]
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
[editovat|editovat zdroj]V současné době je široce přijímáno, že neutrina jsou hmotná.[2][pozn. 1]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
[editovat|editovat zdroj]Když se postavily první detektory neutrin, měření zachycovala stopy mnohem méně elektronových neutrin, než byl teoretický předpoklad.[8]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).[9][10]
Domnělá nadsvětelná rychlost
[editovat|editovat zdroj]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/OPERA-Experiment-Nov2005.jpg/220px-OPERA-Experiment-Nov2005.jpg)
Při pokusech v rámciexperimentu OPERAbyla v listopadu 2011 jednomu druhu neutrin (mionovým neutrinům) naměřena nepatrněnadsvětelná rychlost.[11]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,[12]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.[13]Jako potenciální metodická chyba byla zkoumána také nesprávná relativistickásynchronizacehodin.[14][15]Sesterský experiment ICARUS, hledající energetické projevy nadsvětelných neutrin, žádné nezaznamenal,[16][17]a novým měřením rychlosti neutrin v r. 2012 vyvrátil její nadsvětelnost.[18][19]
Nakonec v r. 2012 i tým OPERA potvrdil po revizi a započtení přístrojových vlivů nesprávnost předchozích výsledků.[20]
Zdroje neutrin
[editovat|editovat zdroj]V současné době je známo 5 zdrojů neutrin detekovatelných na Zemi.[7][9]
- 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
[editovat|editovat zdroj]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
[editovat|editovat zdroj]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:
Odkazy
[editovat|editovat zdroj]Poznámky
[editovat|editovat zdroj]- ↑ Jedna z teoriíkvantové gravitace,navrženáBurkhardem Heimemroku1980,obsahuje předpověď hmotnosti, která stále odpovídá experimentálním odhadům hmotnosti.
Reference
[editovat|editovat zdroj]- ↑WAGNER, Vladimír.Úvod do subatomové fyziky[online]. Ústav jaderné fyziky AV ČR, 2010 [cit. 2011-10-02]. Prezentace č.10. Částice a jejich interakce,snímek 15.Dostupné v archivupořízeném dne 2011-10-13.
- ↑ab EIDELMAN, Simon I., et al. Leptons in the 2004 Review of Particle Physics.Physics Letters B.2004, roč. 592, čís. 1. Část Number of Neutrino Types and Sum of Neutrino Masses.Dostupné online.ISSN0370-2693.
- ↑ WAGNER, Vladimír.Jak se vyznat ve všemožných částicích?[online]. Osel.cz - Objective source e-learning, 2008-04-05 [cit. 2011-10-02]. Kapitola Částice hmoty.Dostupné online.
- ↑ab HAVRÁNEK, Miroslav.Neobvyklé oscilace neutrin potvrzeny experimentem MiniBooNE[online]. Štefánikova hvězdárna, 2010-10-24 [cit. 2011-10-02]. Kapitola Experiment MiniBooNE potvrzuje anomální oscilace.Dostupné online.
- ↑ ANDRLE, Michal. Temné stránky vesmíru přicházejí o svá tajemství.21. století[online]. 2011-02-23 [cit. 2011-10-02].Dostupné online.
- ↑https://phys.org/news/2023-01-results-stereo-sterile-neutrino-hypothesis.html- Final results from the STEREO experiment reject sterile neutrino hypothesis
- ↑ab KULHÁNEK, Petr.Hyde park ČT24[online]. Česká televize, 2011-09-26 [cit. 2011-10-01]. Čas 7:30 od začátku stopáže.Dostupné online.
- ↑ KULHÁNEK, Petr.Hyde park ČT24[online]. Česká televize, 2011-09-26 [cit. 2011-10-01]. Čas 22:50 od začátku stopáže.Dostupné online.
- ↑ab Vladimír Wagner:Oscilace neutrin – cesta k nové fyzice,O.S.E.L.,21. dubna 2010
- ↑K. Nakamuraet al.(Particle Data Group): The Review of Particle Physics (2010) and 2011 partial update.Neutrino MixingArchivováno19. 5. 2012 naWayback Machine..Jornal of Physics G37,075021 - přehled experimentálních výsledků k neutrinovým oscilacím (anglicky)
- ↑ LÁZŇOVSKÝ, Matouš. Záhadný výsledek: částice rychlejší než světlo popírají Einsteinovu teorii.iDnes[online]. 2011-09-22 [cit. 2011-10-01].Dostupné online.
- ↑Vladimír Wagner:Překračují neutrina mezní rychlost světla?,O.S.E.L.,30. září 2011
- ↑ Nadsvětelnou rychlost neutrin má na svědomí špatně zapojený kabel[online]. O.S.E.L., 2012-02-23 [cit. 2012-02-23].Dostupné online.
- ↑Ronald A.J. van Elburg:Time-of-flight between a Source and a Detector observed from a Satellite,ver. 2,arXiv,13. října 2011 (anglicky)
- ↑Special relativity may answer faster-than-light neutrino mystery,PhysOrg,17. října 2011 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)
- ↑ICARUS Collaboration:A search for the analogue to Cherenkov radiation by high energy neutrinos at superluminal speeds in ICARUS,arXiv,17. října 2011 (anglicky)
- ↑Hamish Johnston:Subluminal neutrino news from Italy,PhysicsWorld,19. října 2011 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)
- ↑ICARUS Collaboration:Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam,arXiv,17. října 2011 (anglicky)
- ↑'Faster-than-light' particles fade after cross-check,PhysicsWorld,16. března 2012 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)]
- ↑OZAWA Harumi:Einstein was right, neutrino researchers admit,PhysOrg,8. června 2012 (anglicky)
Externí odkazy
[editovat|editovat zdroj]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.