Standardní model původně předpokládal, že neutrina, velmi obtížně zachytitelné a netečné elementární částice ze skupiny leptonů, nemají vůbec žádnou hmotnost. Postupně se ale ukazuje, že by přece jenom nepatrnou hmotnost mít mohla. Přidání hmotnosti neutrin do Standardního modelu prý není až tak obtížné, zároveň je to ale významné číslo, s nímž se musí zacházet velmi opatrně. Neutrin je nesmírně mnoho a když jim přiřkneme nějakou hmotnost, tak se v té chvíli dotýkáme osudu celého našeho vesmíru. Kdyby například průměrná hmotnost každého ze tří známých typů neutrin (elektronového, mionového a tauonového) překročila 50 eV a neutrina byla opravdu tak stabilní, za jaké je obvykle považujeme, tak by ve vesmíru bylo tolik hmoty, že by se už dávno zhroutil.
V květnu 2010 na evropském experimentu OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) zřejmě poprvé pozorovali vznik tauonového neutrina ve svazku mionových neutrin, z čehož vyplývá, že neutrina mají nějakou hmotnost. V červenci 2010 zase na základě dat z velké prohlídky galaxií MegaZ DR7 odhadli, že souhrnná hmotnost tří známých typů neutrin bude menší než 0,28 eV. V roce 2013 pak tuto hodnotu ještě snížil tým kolem teleskopu Planck, na 0,23 eV. Nepatrnou, ale zároveň nenulovou hmotnost neutrin potvrzuje i nová studie dvojice Richard Battye z Manchesterské univerzity a Adam Moss z Nottinghamské univerzity. Britští vědci analyzovali data teleskopu Planck o reliktním záření vesmíru (CMB) a také měření gravitačního čočkování galaxií.
Jde o to, že Battye s Mossem vystopovali v datech teleskopu Planck menší počet kup galaxií, než jaký bychom podle modelů očekávali a také slabší signál gravitačního čočkování galaxií. Možný řešením této situace je právě připsání hmotnosti neutrinům a začlenění hmotných neutrin do standardního kosmologického modelu.
Neutrina s nesmírně malou, ale přesto existující hmotností by totiž během vývoje vesmíru potlačila růst struktur, které později vedly, anebo vlastně nevedly ke vzniku kup galaxií.
A kolik vlastně neutrina váží? Battye a Moss sesypali dohromady nesrovnalosti v datech sondy Planck a v měření gravitačního čočkování a podle jejich odhadů činí hmotnost všech tří typů neutrin dohromady 0,320 eV plus mínus 0,081 eV. Pokud jejich výsledek potvrdí i další analýzy, tak se významně pohneme kupředu v pochopení svérázného světa elementárních částic a zároveň i ve standardním modelu kosmologie.
Literatura
Physical Review Letterrs 112: 051303, University of Manchester News 10. 2. 2014, Wikipedia (Neutrino, Cosmic microwave background).
Diskuze:
Nula?
Petr Jíčínský,2014-02-15 22:38:11
Podle toho, co jsem se učil o srážkách částic a detekcích jejich produktů by mělo být podle parametrů detekované interakce plus minus jasné, jestli má dceřinná částice hmotnost. Domnívám se, že by to bylo vidět zejména na hybnosti vznikajících partnerů. Byla ta změna hybnosti natolik malá, že zde byla domněnka o nulové hmotnosti neutrin?
Kdyby byla hmotnost
Vladimír Wagner,2014-02-16 17:50:08
neutrin taková, aby se projevovala v kinematice reakcí, tak je změřená přímo a nespekulujeme o tom, jak velká je. Právě KATRIN je kinematický experiment, který se snaží určit hmotnost neutrina ze zákonů zachování hybnosti a energie. A ukazuje, jak je ta hmotnost malá a jaké problémy s měřením to nese. Tedy odpověď je, změny hybnosti ve všech experimentech, které zatím dokážeme provést odpovídají nulové klidové hmotnosti neutrin. Jediná informace o tom,že jejich hmotnost nulová není jsou oscilace neutrin.
Pár upřesnění
Vladimír Wagner,2014-02-14 09:15:44
O tom, že neutrina mají hmotnost víme už řadu desetiletí pře rokem 2010 a přímým pozorováním oscilací mionových neutrin na tauonová experimentem OPERA. Z těch oscilací pozorovaných už řadu desetiletí už také nyní víme, že rozdíl hmotností neutrin je zhruba 0,05 eV/c^2 a 0,008 eV/c^2 (O oscilacích více zde: http://www.osel.cz/index.php?clanek=5000 ). Z rozpadu beta tritia víme, že hmotnost elektronového neutrina je menší než zhruba 2,2 eV/c^2. Tedy pomocí přímých metod modelově nezávislých víme, že celková hmotnost trojice neutrin je menší než 7 eV/c^2. Experiment KATRIN, který bude také měřit přímo hmotnost elektronového neutrina z rozpadu tritia bude mít limitní citlivost 0,2 eV/c^2. Pokud hmotnost bude pod jeho citlivostí, bude hmotnost všech tří neutrin menší než 0,7 eV/c^2.
Kosmologické modely určení hmotnosti neutrin, o kterých se píše v tomto příspěvku, jsou založené na modelech popisujících tvorbu galaxií, kup galaxií a velkoškálové struktury vesmíru. Obsahují tak i nejistoty z těchto modelů. Pokud však jsou správné, tak ty data o součtu hmotností tří neutrin (menší než 0,23 eV/c^2, menší než 0,28 eV/c^2 a 0,32(8) eV/c^2) by vedla k hmotnosti elektronového neutrina určitě menší než 0,1 eV/c^2, takže bohužel pro KATRIN nedosažitelné.
Hustota reliktních neutrin je 340 na cm^3. pro zajímavost, pokud mají hmotnost v řádu eV/c^2, je jejich střední rychlost o dost menší než rychlost světla (závěr tohoto článku http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/temna/astroforma.html ). Na počátku vesmíru však jejich rychlost byla spolehlivě blízká rychlosti světla a tak jsou tzv. horkou temnou hmotou. Nemohou tak vysvětlit gravitační projevy temné hmoty v galaxiích a kupách. Jsou rovnoměrně rozložena ve vesmíru a v každém případě nemohou odstranit potřebu těžkých slabě interagujících částic, které mohou být rozloženy nehomogenně.
KATRIN
Martin Ondracek,2014-02-14 12:39:31
Netušíte prosím, v jakém stavu je nyní experiment KATRIN?
Stav experimentu KATRIN
Vladimír Wagner,2014-02-14 14:18:54
Budování spektrometru má zpoždění. Což je dáno tím, že je tam řada věcí, které jsou na hraně současných možností. Nyní je kritickým bodem snad posledním) budování plynného tritiového terče. Jedná se o velmi komplexní a náročné kryogenní zařízení. Je tam spousta věcí které jsou na hraně toho, co je možné. Také byl problém s tím, že firma, která měla dělat jeho nejdůležitější části, změnila majitele a bylo nebezpečí, že odstoupí od výroby. Ale nyní už jsou prototypové modelové části udělány a otestovány, a v řadě parametrů (hlavně důležité extrémní stabilitě teploty) pracují dokonce lépe, než se požadovalo.
Takže, pokud už nyní vše půjde bez zádrhelů, měl by spektrometr začít pracovat koncem příštího roku a potřebná statistika se pak bude v první etapě nabírat dva roky, aby se dosáhlo té zmíněné limity 0,2 eV/c^2.
Ak som spravne pochopil clanok,
Juraj Chovan,2014-02-13 15:42:30
s problemom tmavej hmoty to nesuvisi. Zasadny rozdiel je v tom, ze tmava hmota je koncentrovana tam kde aj viditelna hmota, teda v galaxiach. To suvisi s tym ze o tmavej hmote predpokladame ze je tvorena tazkymi (a teda pomalymi) casticami, ktorych rychlost pohybu je nizsia ako unikova rychlost z galaxie.
Neutrina, naopak, sa pohybuju takmer rychlostou svetla, vdaka comu su vo vesmire zastupene viac-menej rovnomerne, podobne ako reliktne ziarenie. Takze ak maju hmotnost, ich gravitacny vplyv je rovnomerne rozlozeny v celom vesmire, teda aj v medzigalaktickom priestore. A to ma samozrejme vplyv na formovanie galaxii, resp. kop galaxii (analogia - aj ked nie celkom presna - padajuce jablko sa inak pohybuje vo vakuu, inak vo vzduchu a inak vo vode, kedze napr. voda ma 1000x vacsiu hustotu ako vzduch).
Takze ak som spravne pochopil, z nedostatku kop galaxii vedci usudili, v ako (gravitacne) hustom prostredi sa galaxie vytvarali, a kedze pocet reliktovych neutrin je viac-menej znamy vysla im z toho hmotnost neutrin.
Problem tohto vypoctu je ze to nieje ziadne exaktne meranie hmotnosti, vysledok prudko zavisi na predpoklade ze pouzite pocitacove modely tvorby galaxii su spravne. Zaroven, ak sa cast tmavej hmoty nachadza aj v medzigalaktickom priestore - o com zatial vela nevieme - tak za prislusny gravitacny vplyv pri (ne)tvorbe kop galaxii nie su zodpovedne neutrina, ale tato zlozka tmavej hmoty.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
