Standardní model elementárních částic: 12 základních fermionů a 5 základních bosonů Kredit: MissMJ, Wikipedia, CC 3.0

Neutrino a standardní model

Podle standardního modelu fyziky množinu základních stavebních částic veškeré hmoty tvoří kvarky a leptony. Ve skupině leptonů jsou elektricky nabité částice – elektron, mion, tauon a jejich neutrální partnerská neutrina – elektronové, mionové a taonové. A samozřejmě příslušné antičástice. Právě neutrina, téměř nehmotné, hodně netečné a těžko polapitelné částice, na které kromě slabé jaderné a ještě slabší gravitační síly nepůsobí žádná jiná fyzikální interakce, tedy elektromagnetická nebo silná jaderná, do našich zažitých a prověřených fyzikálních představ hodily když ne vidle, tak alespoň vidličku v podobě čtvrtého do partie – sterilních neutrin. O jejich existenci fyzikové polemizují již desetiletí a pozitivní experimentální výsledky se střídají s těmi negativními.

Tři známé typy neutrin se navzájem mísí – mohou se proměňovat – oscilovat z jednoho druhu na jiný. Elektronové neutrino, které se například uvolní při rozpadu neutronu na proton, se během své cesty mění na mionové a zase zpět. Podrobněji a zasvěceně o oscilaci neurin na Oslu od Vladimíra Wagnera zde nebo video zde. Tyto proměny za hranicí standardního modelu nejsou v rámci jakési kvantové trojjedinosti tak úplně unikátní. I kvarky podstupují transformaci vůně. Při emisi nebo absorpci W-bosonu se může kvark typu horní, (půvabný, svrchní) přeměnit na kvark typu dolní (podivný, spodní) a naopak. S neutriny ale souvisí i jiná zvláštnost, spjatá s jejich sice titěrnou, ale přece jen nenulovou klidovou hmotností. Týká se jisté kvantové charakteristiky, chirality, jež je u všech fermionů, mezi které leptony patří, pravotočivá, nebo levotočivá. Jenom neutrina známe výhradně s levotočivou chiralitou (nejde jednoduše jen o spin), případně antineutrina s pravotočivou chiralitou. Jenže aby bylo možné v rámci standardního modelu odůvodnit již prokázanou hmotnost neutrin pomocí interakce s Higgsovým polem, měly by existovat i chirální protějšky – tedy pravotočivá neutrina a levotočivá antineutrina. I když jsou zatím čistě hypotetická, z teorie víme, že by na ně nepůsobila ani ta slabá jaderná síla jako na již známá neutrina. „Vnímaly“ by tedy jen mizivou gravitaci úměrnou své hmotnosti. Fyzikové je pojmenovali „sterilní neutrina“ (případně „sterilní antineutrina“), nicméně existence názvů není zárukou, že jejich nositelé jsou reální. Zatím se po nich pátrá se střídavými výsledky, přičemž ty pozitivní byly časem zpochybněny. Takže žádný jednoznačný důkaz. Problém může spočívat například v jejich vyšší hmotnosti, kdy by si jejich vytvoření  vyžadovalo hodně energie. A nebo jsou neutrina příkladem zatím také hypotetických majoranových fermionů (Majorana fermions), u nichž jsou částice identické se svými antičásticemi. K lepšímu pochopení pojmu sterilní neutrino napomůže dobře zpracované popularizační video na konci článku s českým překladem textu.

Neutrina oscilují mezi třemi “vůněmi“: elektronovou, mionovou a tauonovou. Pokud jsou neutrina majoranovy částice, pak každý typ neutrina je zároveň svou vlastní antičásticí Kredit: Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo

A máme tě! Nebo ne…?

Lov na sterilní neutrina má svou historii. Mezi lety 1993 až 1998 vědci v proslulém novomexickém Los Alamos National Laboratory, zkráceně Los Alamos, zkoumali oscilaci neutrin pomocí Kapalného scintilačního detektoru neutrin (Liquid Scintillator Neutrino Detector - LSND). Šlo o válec o délce 8,3 m a průměru 5,7 m naplněný 167 tunami minerálního oleje s přídavkem organického scintilačního materiálu. Tento detektor byl napojen na lineární urychlovač LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility) a vzájemná vzdálenost 30 m se ukázala být krátkou pro oscilační experimenty. Snaha o interpretaci získaných kontroverzních výsledků vedla k předpokladu oscilací za účasti sterilních neutrin. Jejich potvrzení by mohlo mít vesmírný dopad kvůli možným souvislostem s podstatou temné hmoty i temné energie.

Výsledky LSND se v letech 1997 až 2001 pokusili vědci prověřit experimentem KARMEN na urychlovači ISIS v Anglii. Neúspěšně. Podezření na existenci sterilních neutrin se nepotvrdilo, ale malá citlivost experimentu nechávala dveře stále otevřené. Od roku 2002 detekuje oscilace neutrin přesnější experiment MiniBooNE ve Fermilabu v americkém státě Illinois. Paprsek mionových neutrin je emitován směrem k podzemnímu detektoru naplněnému 800 tunami minerálního oleje a opatřenému 1280 fotonásobiči. Na vědecké části experimentu spolupracují desítky špičkových vědců (v 2007 jich bylo 77) ze sedmnácti povětšinou univerzitních pracovišť USA a Velké Británie. První výsledky zveřejněné v roce 2007 existenci čtvrtého typu neutrina nepotvrdily. Průlomem se jevil být článek, který se v květnu 2018 objevil na preprintovém arXiv.org. Autoři v něm prokazují, že některá mionová neutrina se překlopí na sterilní, než pak změní identitu na neutrina elektronová. Tuto oscilací tým MiniBooNE však potvrdil na úrovni statistické významnosti jenom 4,8 sigma. Nad kýženou hranici 5 σ dosáhl až pomocí kombinace s předcházejícími daty z LSND, což navýšilo výsledek na 6,1 sigma. (Článek S. Mihulky na Oslu).

Uvnitř detektoru LSND Kredit: Los Alamos National Laboratory

Tím ale příběh nekončí. V roce 2016 se v časopise Physical Review Letters objevila studie, v níž spojili své síly výzkumníci amerického projektu MINOS (Main Injector Neutrinos Oscillation Search) realizovaném v Fermilabem v bývalém železném dole Soudan v severovýchodní Minnesotě a čínského Daya Bay Reactor Neutrino Experiment registrujícího antineutrina produkovaná reaktory jaderných elektráren v Daya Bay a Ling Ao na jihu Číny. Oba týmy ke společné analýze přispěly svými léta sbíranými daty. Výsledky, které výrazně zúžily fyzikální podmínky pro možné proměny známých neutrin na sterilní, velice přesvědčivě zpochybňují interpretace experimentu LSND. Tím o důvěryhodnost přišla i statistická významnost 6,1 σ získaná kombinací dat LSND + MiniBooNE.

Další omezení pro možné míchání sterilních neutrin prezentovala rozsáhlá studie, která se ve Physical Review Letters objevila v roce 2020. První dvě strany článku zaplňují pouze jména autorů (odhadem 270 – 300) a pracovišť (zejména USA, Čína, Velká Británie, ale také česká Karlova univerzita). K čemu se tak mnohočetná skupina vědců pracujících na experimentech MINOS, MINOS+, Daya Bay a Bugey-3 (spjatý na reaktory JE ve francouzském regionu Bugey) dopracovala? Stanovila dosud nejpřísnější fyzikální limity pro neutrinové směšování, které sice přímo nevyvracejí, ale výrazným omezením podmínek pro sterilní oscilace hodně zpochybňují interpretace výsledků experimentů LSND a MiniBooNe naznačujících existenci sterilních neutrin.

Detektor experimentu MINOS se nachází hluboko v podzemí starého železného dolu Soudan v SV Minnesotě, přes 700 km daleko od zdroje neutrin - urychlovače Fermilabu poblíž Chicaga Kredit: Fermilab

Nebo ano…?

A stále nejsme u konce, i když už v současnosti. A opět v Los Alamos National Laboratory, kde se uskutečnil první ze zmíněných experimentů, tak drtivě zpochybněný LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector). Ne, neoprášili ho pro nové pokusy, ale již první věta mediální zprávy na stránce Los Alamos naznačuje, že se myšlenky na prokázání sterilního neutrina nevzdali: „Nové vědecké výsledky potvrzují anomálii pozorovanou v předchozích experimentech, která může poukazovat na dosud nepotvrzenou novou elementární částici, sterilní neutrino, nebo naznačovat potřebu nové interpretace jednoho aspektu standardního fyzikálního modelu, jako je průřez neutrina, jenž byl poprvé změřen před 60 lety.“

Detektor experimentu MiniBooNE je nádrž s 800 tunami velmi čistého minerálního oleje. 1280 fotonásobičů umístěných uvnitř nádrže detekují záření vyvolané srážkami neutrin s jádry uhlíku v molekulách oleje. Kredit: Fermilab

Tentokráte však pro sterilní neutrina nadějné experimentální výsledky pocházejí z jiného konce světa, z ruského Kavkazu, kde severně od hranic s Gruzií, v údolí řeky Baksan, u pravděpodobně účelově postavené vesničky s příznačným jménem Nejtrino s jedinou ulicí, Ulicí míru, se nachází Baksanská neutrinová observatoř. Je jedním z vědeckých pracovišť Ústavu jaderného výzkumu Ruské akademie věd. Její součástí jsou dva podzemní tunely, každý o délce přes 3 a půl kilometru, které se kvůli stínění kosmického záření táhnou pod horou Andyrči. Do arzenálu vědeckých zařízení observatoře patří i Baksanský podzemní scintilační teleskop s objemem 3000 m³ umístěný 300 m pod povrchem a Gallium-germaniový neutrinový teleskop (GGNT) – radiochemický detektor slunečních neutrin s terčem z kovového tekutého gallia o hmotnosti téměř 60 tun číhající v hloubce 2100 m pod zemí. Primárním experimentem, který na GGNT od roku 1989 s nějakými přestávkami prý stále probíhá, je rusko-americký SAGE (Sovětsko-Americký Galliový Experiment) zaznamenávající sluneční neutrina na základě inverzní beta rozpadové reakce izotopu ⁷¹Ga s elektronovým neutrinem na nestabilní izotop ⁷¹Ge a elektron. V letech 2014 -17 byl Gallium-germaniový neutrinový teleskop upravován i pro nový experiment BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions), který probíhal v roce 2019. Výsledky byly letos, 9. června, publikovány v časopisech Physical Review Letters a Physical Review C (arXiv.org 1 2).

26 po ozáření radioaktivních disků chromu jsou zdrojem elektronových neutrin, která reagují s galiem a produkují germanium. Četnost těchto reakcí lze měřit a porovnat s teoretickými výpočty. Kredit: A. A. Shikhin BEST collaboration

"Výsledky jsou velmi vzrušující," neskrývá nadšení Steve Elliott, vedoucí analytik amerického týmů z Oddělení fyziky v Los Alamos, který se na zpracování dat podílel. "To rozhodně potvrzuje anomálii, kterou jsme viděli v předchozích experimentech. Ale co to znamená, není zřejmé. Nyní o sterilních neutrinech existují protichůdné výsledky. Pokud naznačují, že základní jaderná nebo atomová fyzika je nepochopena, bylo by to také velmi zajímavé."

V experimentu BEST fyzikové použili umělý zdroj neutrin – 26 kruhových disků o rozměrech 88 x 4 mm z téměř čistého chromu ⁵⁰Cr, které byly ve výzkumném jaderném reaktoru v ruském RIAR Dmitrovgrad ozařováním proměněné na nestabilní umělý radioizotop ⁵¹Cr s počáteční aktivitou asi 3,4 megacurie (3,4 MCi = 1,258 x 10¹⁷Bq). Tento zdroj elektronových neutrin byl hned po dodání na Baksanskou observatoř umístěn do středu tanku s 50 tunami tekutého gallia. Válcový tank byl před experimentem rozdělen do dvou soustředných zón, na vnitřní s objemem 8 tun Ga a vnější se 42 tunami Ga.

Experiment probíhal mezi 15. červencem a 13. říjnem 2019. Podobně jako v experimentu se slunečními neutriny, i ty z umělého Cr zdroje měly ve srážkách s jádry ⁷¹Ga produkovat nestabilní izotop germania ⁷¹Ge. Samozřejmě, pokud se na krátkou vzdálenost průletu tankem nezměnila na sterilní neutrina, netečná k slabé jaderné síle. Jak se však ukázalo, vzniklých atomů germania s nukleonovým číslem 71 bylo o 20 až 24 % méně, než předpověděly teoretické modely.

Pohled do podzemního tunelu s Gallium-germaniovým neutrinovým teleskopem. Do středu velkého, na dvě soustředné zóny rozděleného tanku naplněného galliem, byl umístěn radioaktivní zdroj elektronových neutrin. Kredit: V.N. Gavrin, BEST collaboration

Tento rozpor nebyl zcela nečekaným překvapením, protože je v souladu s anomálií pozorovanou i při předcházejících pokusech s umělým zdrojem neutrin ještě v rámci experimentu SAGE. Vědci ho pojmenovali „galliová anomálie“. Není vyloučeno, že její ověření a bližší prozkoumání bylo jedním z motivů k projektu BEST. A možno spolu s trpkostí „Losalamských“ nad zpochybněním jejich výsledků dnes již čtvrtstoletého experimentu LSND. Na projektu BEST však kromě nich a vědců z různých ruských institucí spolupracovala řada dalších, zejména amerických fyziků. A ti všichni jsou přesvědčeni, že naměřený deficit atomů germania je v souladu s hypotézou oscilací mezi elektronovými a sterilními neutriny. Jako vědci však musí připustit i jiná možná vysvětlení, například zatím neodhalenou nepřesnost v teoretických předpokladech. Samotná metodika experimentu byla důkladně prověřena, aby se zajistilo, že v tomto ohledu k žádným chybám nedošlo. Jestli bude projekt v budoucnu pokračovat, vědci ho hodlají uzpůsobit k vyšší citlivosti na kratší délky oscilačních vln a použít i jiný zdroj záření s vyšší energií a delším poločasem rozpadu.

Příběh pátrání po čtvrtém typu neutrina podezřelého z narušování některých experimentů není u konce s rozuzlením. Což ale neznamená, že na nějakou dobu nekončí, protože mu, jako mnohým jiným cílům v poznávání světa, udělá doslova škrt přes rozpočet politicko-ekonomická situace, v níž investice do zbraní budou ty nejdůležitější. Žel.

Video: Změní nové neutrino standardní model? Kredit. PBS Space Time

(Poznámka: video je o něco komplikovanější ke sledování. Pro ty, kteří bojují s angličtinou v mluvené formě, doporučujeme v nastavení zvolit titulky, případně jejich automatický překlad do češtiny. Když „utíkají“ moc rychle, vypněte zvuk a snižte rychlost přehrávání, ponechte jen titulky. A nebo si český překlad titulků můžete stáhnout zde.)

Další doporučená videa: Existují sterilní neutrina?; Objev sterilních neutrin (Los Alamos Nat. Lab. v roce 2018), Sterilní neutrina a houpačky, kritické a srozumitelné zhodnocení výsledků experimentu MiniBooNe: Sterile Neutrinos MiniBooNE (v němčině, 1918)

Překlad mluveného textu videa Will A New Neutrino Change The Standard Model?

Literatura

Většina hypertextových odkazů je uvedena v textu, základní: Physical Review Letters (2), Physical Review C, arXiv.org (2; 3), Los Alamos Nat. Laboratory News.