Tato Nobelova cena je do jisté míry pokračováním té poloviny Nobelovy ceny udělené v roce 2002, kterou dostali Raymond Davis jr. ze Spojených států a Masatoši Košiba z Japonska. Obě pak jsou spojeny s překonáním obrovského problému s detekcí neutrina. Tato elektricky neutrální částice totiž interaguje s hmotou pouze slabou interakcí. Tedy extrémně málo a její ulovení je tak extrémně náročné. Pro detekci neutrin potřebujeme velmi intenzivní zdroje těchto částic a velmi velké a sofistikované detektory. Jak Nobelova cena z roku 2002, tak ta z roku 2015, byla oceněním experimentální práce s využitím unikátního detektoru neutrin a interpretace získaných dat.

Takaaki Kadžita (zdroj Takaaki Kajita).

Jedním z intenzivních zdrojů neutrin jsou hvězdy, a tedy i naše Slunce. Raymond Davis jr. hledal a našel možnost, jak detekovat sluneční neutrina. To se mu podařilo pomocí obrovského podzemního detektoru vyplněného kapalinou, která obsahovala chlór. Ten se měnil reakcí s neutrinem na radioaktivní argon, který bylo možné díky jeho radioaktivitě zjistit. Detektor umístěný ve zlatém dole Homestake opravdu neutrina ze Slunce zaznamenal. Ale vznikl nový problém. Těchto neutrin bylo méně než polovina toho, co se očekávalo. Raymond Davis jr. neustále zpřesňoval a kontroloval měření, zpřesňovaly se i výpočty produkce neutrin na Slunci, rozdíl mezi teorií a experimentální hodnotou však zůstával.

Arthur McDonald (zdroj Perimeter Board stránky)

Později detekovaly neutrina ze Slunce i další typy detektorů. Chytaly neutrina jiným způsobem a také v jiné oblasti jejich energií. A i tato zařízení pozorovala počet neutrin menší než očekávaný. Jedním z nich byl také Kamiokande v Japonsku, který detekuje neutrina v reakci, při které se neutrino přemění na elektron. Detektor je obrovským bazénem s vodou. Vzniklý elektron, který má dostatečnou energii, se ve vodě pohybuje rychlostí větší, než je rychlost světla v ní, a vyzařuje tak Čerenkovovo záření. To pak zaznamenávají fotonásobiče, které jsou umístěny na stěnách nádrže. Lze tak neutrino nejen detekovat, ale zjistit i jeho energii a směr, odkud přiletělo. S tímto detektorem pracoval právě i Masatoši Košiba. Detektoru se podařilo zachytit neutrina ze Slunce a potvrdit, že přicházejí opravdu ze směru od něj, ale je jich oproti předpokladům méně.

Zachytil však i neutrina za supernovy SN1987A a také ze sekundárního kosmického záření. Při interakci vysokoenergetických protonů i těžších jader kosmického záření vzniká velké množství nabitých mezonů pí. Ty se rozpadají na mion a neutrino, mion se pak následně rozpadá na elektron (pozitron) a jedno mionové a jedno elektronové neutrino. Jen pro upřesnění bych zmínil, že pod pojmem pí mezon a mion myslíme jak kladně tak záporně nabité částice a pod pojmem neutrino se skrývají neutrina i antineutrina. V konečném důsledku tak vznikají při rozpadu nabitého pionu dvě neutrina mionová a jedno elektronové. A ta elektronová lze zachytit v detektoru Kamiokande.

Jeskyně experimentu SNO (zdroj SNO)

Konečně Nobelova cena v roce 2015

Jak je vidět, existují nejen elektronová, ale také mionová neutrina. A existuje i třetí typ neutrin – neutrina taunová. A právě existence více typů neutrin mohla vysvětlit pozorování chybějících neutrin ze Slunce. Za předpokladu, že se část elektronových neutrin produkovaných ve Slunci cestou změní na jiný typ, který už využívané detektory nezaznamenají. Tento jev je označován jako oscilace neutrin a může k němu dojít jen v případě, že neutrina mají různou hmotnost a to znamená, že alespoň některá z nich mají hmotnost nenulovou.

Pro potvrzení toho, že za chybějícími elektronovými neutriny ze Slunce jsou jejich oscilace, bylo potřeba vybudovat detektor, který dokáže současně zaznamenat a identifikovat elektronová neutrina a detekovat i ty ostatní typy. Tímto detektorem se stalo zařízení SNO (Surdbury Neutrino Observatory), které dokázalo detekovat všechny tři typy neutrin a zároveň i identifikovat neutrina elektronová. Jednalo se o nádrž, které byla vyplněna těžkou vodou. V ní docházelo k procesu, při kterém se elektronové neutrino měnilo na elektron, stejně jako v normální vodě detektoru Kamiokande. Docházelo tam však také k tomu, že libovolné neutrino rozbíjelo deuteron na proton a neutron. Tato reakce je pak identifikována pomocí záchytu neutronu na chlóru, který se do těžké vody přidává. Tento proces je doprovázen produkci dobře detekovatelného a identifikovatelného záření gama. Detektor SNO, na jehož vybudování a využívání má obrovský podíl Arthur B. McDonald, potvrdil, že celkový počet neutrin odpovídá počtu vzniklých neutrin elektronových a počet jim zachycených neutrin elektronových odpovídá předpokladu úbytku oscilacemi pozorovaném v dřívějších experimentech. Toto experimentální pozorování bylo publikováno 18. června 2001 a s konečnou platností potvrdilo správnost slunečních modelů, původu neutrin ze Slunce a existence oscilací neutrin. Bylo také jedním z impulsů pro udělení Nobelovy ceny Raymondu Davisovi jr. a Masatoši Košibovi v roce 2002.

Detektor SNO (zdroj SNO).

Data z detektoru Kamiokande, který se po úpravě a zvětšení objemu stal zařízením Superkamiokande, byla intenzivně zpracovávána a interpretována Takaakim Kadžitou. Intenzivní pozorování neutrin z popsaného sekundárního kosmického záření umožnilo studovat závislost úbytku elektronových neutrin na vzdálenosti, kterou uletí, a jejich energii. Potvrdilo se, že jde opravdu o předpokládané oscilace a nastoupila se cesta k jejich úplnému pochopení a popisu.

Neutrinový detektor Superkamiokande (zdoj Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokio).

Na této cestě se už podařilo zjistit řadu faktů. Známe velikosti rozdílů hmotností neutrin, dokážeme popsat řadu aspektů míchání jejich různých stavů, které za oscilacemi stojí. Řada záhad však stále čeká před námi. Nevíme absolutní hmotnosti neutrin a ani to, které z nich je nejlehčí a které nejtěžší. Nevíme přesně, jaký je rozdíl mezí oscilacemi neutrin a antineutrin. K vyřešení těchto i dalších hádanek přispějí nové detektory, které se budují, a lze čekat, že se ještě nějaká Nobelova cena spojená s touto částicí v budoucnu objeví.

Na závěr bych si dovolil zdůraznit, že letošní Nobelova cena je udělena vědcům, kteří jsou spojeni s velkým experimentálním zařízením. V tomto případě jde tak i o ocenění velkých kolektivů, které stojí za jejich budováním a experimentálním výzkumem na nich. Bez podpory kolegů by letošní nobelisté tohoto ocenění nedosáhli. Právě Arthur B. McDonald a Takaaki Kadžita si ovšem toto ocenění plně zaslouží.

Pro ty, které neutrina zaujala, bych si dovolil odkázat na články, které popisují vlastnosti neutrin (zde), zdroje neutrin (zde), detekci neutrin (zde), oscilace neutrin (zde a zde) i nedávné proměření oscilací na krátké vzdálenosti (zde a zde), jak nám neutrina ukazují, jak bude v budoucnu svítit Slunce (zde) nebo jaká je teplota ozónové vrstvy (zde) a také neutrinovou astrofyziku (zde a zde).

Poznámka redakce
Autor článku připravuje pro Osla článek o nejnovějších pokrocích v neutrinové fyzice.