Jsme zaplaveni neutriny. Patří k nejlehčím ze dvou tuctů nebo tak známých subatomových částic a přicházejí ze všech směrů: od Velkého třesku, který začal vesmír, od explozí hvězd a především ze slunce. Přicházejí přímo přes Zemi téměř rychlostí světla, po celou dobu, ve dne i v noci, v obrovském počtu. Každou sekundu prochází naše těla asi 100 bilionů neutrin.
Související obsah
- Otevření podivných portálů ve fyzice
Problém pro fyziky je v tom, že neutrina jsou neviditelná a těžko detekovatelná. Každý nástroj určený k tomu se může cítit pevný na dotek, ale neutrinům je dokonce i nerezová ocel většinou prázdný prostor, tak široký, jako je sluneční systém, kometě. A co víc, neutrina, na rozdíl od většiny subatomárních částic, nemají elektrický náboj - jsou neutrální, odtud název - takže vědci nemohou použít elektrické nebo magnetické síly k jejich zachycení. Fyzici je nazývají „částice duchů“.
Aby zajali tyto nepolapitelné entity, provedli fyzikové několik mimořádně ambiciózních experimentů. Aby neutrina nebyla zaměňována s kosmickými paprsky (subatomické částice z vesmíru, které neproniknou do země), jsou detektory instalovány hluboko pod zemí. Obrovské byly umístěny ve zlatých a niklových dolech, v tunelech pod horami, v oceánu a na antarktickém ledu. Tato podivně krásná zařízení jsou památkami lidského odhodlání dozvědět se o vesmíru.
Není jasné, jaké praktické aplikace vycházejí ze studia neutrin. "Nevíme, kam to povede, " říká Boris Kayser, teoretický fyzik ve společnosti Fermilab v Batavia ve státě Illinois.
Fyzici studují neutrina zčásti, protože neutrina jsou takové zvláštní znaky: zdá se, že porušují pravidla, která charakterizují přírodu tím nejzákladnějším. A pokud fyzici někdy naplní své naděje na rozvoj koherentní teorie reality, která bez výjimky vysvětluje základy přírody, budou muset odpovídat za chování neutrin.
Kromě toho, neutrinos zaujmou vědce, protože částice jsou posly z vnějšího dosahu vesmíru, vytvořené násilným výbuchem galaxií a dalších záhadných jevů. "Neutrinos by nám mohl říci věci, které více humdrových částic nemůže, " říká Kayser.
Fyzici si neutrina představovali dlouho předtím, než vůbec nějaké našli. V roce 1930 vytvořili koncept k vyvážení rovnice, která se nesčítávala. Když se jádro radioaktivního atomu rozpadne, energie částic, které vydává, se musí rovnat energii, kterou původně obsahovala. Ve skutečnosti však vědci poznamenali, že jádro ztrácí více energie, než zachytily detektory. Fyzik Wolfgang Pauli proto vytvořil extra energii, kterou neviditelná částice emitovala jádrem. "Dnes jsem udělal něco velmi špatného tím, že jsem navrhl částici, kterou nelze detekovat, " napsal Pauli ve svém časopise. "Je to něco, co by žádný teoretik neměl udělat."
Experimentalisté to přesto začali hledat. V laboratoři jaderných zbraní v Jižní Karolíně v polovině padesátých let rozmístili dva jaderné nádrže mimo jaderný reaktor, které podle jejich rovnic měly za sekundu vyrobit deset bilionů neutrin. Podle dnešních standardů byl detektor malý, ale stále dokázal najít neutrina - tři hodiny. Vědci zjistili, že navrhované neutrino bylo ve skutečnosti skutečné; zrychlené studium nepolapitelné částice.
O deset let později se pole rozšířilo, když jiná skupina fyziků nainstalovala detektor do zlatého dolu Homestake, v olovu, Jižní Dakota, 4 850 stop pod zemí. V tomto experimentu se vědci rozhodli pozorovat neutrina sledováním toho, co se stane vzácně, když se neutrino srazí s atomem chloru a vytvoří radioaktivní argon, který je snadno detekovatelný. Jádrem experimentu byla nádrž naplněná 600 tunami kapaliny bohaté na chlor, chloristanem, kapalinou používanou pro chemické čištění. Každých několik měsíců vědci vypláchnou nádrž a extrahují asi 15 atomů argonu, což je důkaz 15 neutrin. Sledování pokračovalo déle než 30 let.
Vědci v Japonsku doufali, že detekují neutrina ve větším počtu, a vedli experiment ve výšce 3 300 stop v zinkovém dole. Super-Kamiokande neboli Super-K, jak je známo, začala fungovat v roce 1996. Detektor se skládá z 50 000 tun vody v kupolovité nádrži, jejíž stěny jsou pokryty 13 000 světelnými senzory. Senzory detekují občasný modrý záblesk (příliš slabý na to, aby naše oči viděly), který vznikne, když se neutrino srazí s atomem ve vodě a vytvoří elektron. A sledováním přesné cesty, kterou elektron cestoval ve vodě, mohli fyzici odvodit zdroj, ve vesmíru, kolidujícího neutrina. Zjistili, že většina pocházela ze slunce. Měření byla dostatečně citlivá na to, aby Super-K mohla sledovat sluneční cestu přes oblohu a ze vzdálenosti téměř míle pod povrchem Země se den pozoroval v noci. "Je to opravdu vzrušující věc, " říká Janet Conrad, fyzik z Massachusetts Institute of Technology. Stopy částic mohou být sestaveny tak, aby vytvořily „krásný obraz, obraz slunce v neutrinách“.
Experimenty Homestake a Super-K však nezjistily tolik neutrin, jak očekávali fyzici. Výzkum na Sudbury Neutrino Observatory (SNO, prohlásil “sníh”) určoval proč. SNO, instalovaný v niklové dolu o hloubce 6 800 stop v Ontariu, obsahuje 1100 tun „těžké vody“, která má neobvyklou formu vodíku, která relativně snadno reaguje s neutriny. Tekutina je v nádrži zavěšená uvnitř obrovské akrylové koule, která je sama držena uvnitř geodetické nadstavby, která pohlcuje vibrace a na které jsou zavěšené světelné senzory 9 456 - celá věc vypadá jako ozdoba vánočního stromu o výšce 30 stop.
Vědci pracující v SNO objevili v roce 2001, že neutrino se může spontánně přepínat mezi třemi různými identitami - nebo, jak říkají fyzici, osciluje mezi třemi příchutěmi. Objev měl překvapivé důsledky. Jednak to ukázalo, že předchozí experimenty odhalily mnohem méně neutrin, než se předpovídalo, protože nástroje byly naladěny pouze na jednu neutrinovou příchuť - druh, který vytváří elektron - a chyběly ty, které přepínaly. Z jiného pohledu nález svrhl víru fyziků, že neutrin, stejně jako foton, nemá hmotnost. (Oscilace mezi příchutěmi je něco, co jsou schopny udělat jen částice s hmotností.)
Kolik hmoty mají neutrina? Fyzici staví KATRIN - experiment z Karlsruhe Tritium Neutrino. Obchodní konec společnosti KATRIN se může pochlubit 200tunovým zařízením nazývaným spektrometr, který bude měřit hmotnost atomů před a po radioaktivním rozpadu - a tím odhalí, kolik hmoty neutrino odvádí. Technici postavili spektrometr asi 250 mil od Karlsruhe v Německu, kde bude experiment fungovat; zařízení bylo příliš velké pro úzké silnice v regionu, takže bylo položeno na lodi na řece Dunaj a vznášelo se kolem Vídně, Budapešti a Bělehradu, do Černého moře, přes Egejské moře a Středozemní moře, kolem Španělska, přes Lamanšský průliv, do Rotterdamu a do Rýna, dále na jih k říčnímu přístavu Leopoldshafen v Německu. Tam byl vyložen na kamion a vrhl se městem do cíle, o dva měsíce a 5 600 mil později. Sběr dat je naplánován v roce 2012.
Fyzici a astronomové, kteří se zajímali o informace, které by neutrina z vesmíru mohla nést o supernovech nebo srážejících se galaxiích, vytvořili neutrinové „teleskopy“. Jeden, nazývaný IceCube, je uvnitř ledového pole v Antarktidě. Po dokončení bude v roce 2011 tvořit více než 5 000 senzorů modrého světla (viz obrázek výše). Senzory nejsou zaměřeny na oblohu, jak by se dalo očekávat, ale na zem, aby detekovaly neutrina ze slunce a kosmického prostoru, který přichází přes planetu ze severu. Země blokuje kosmické paprsky, ale většina neutrin se zipuje na planetě široké 8 000 kilometrů, jako by tam nebyla.
Pod několika středozápadními státy probíhá experiment neutrina na velké vzdálenosti. Vysokoenergetický urychlovač, který vytváří subatomické částice, střílí paprsky neutrin a souvisejících částic až do hloubky šesti mil pod severní Illinois, přes Wisconsin a do Minnesoty. Částice začínají ve Fermilabu, jako součást experimentu nazvaného Hlavní injektor Neutrino Oscillation Search (MINOS). Za méně než tři tisíce vteřiny narazili na detektor v železném dole Soudan, vzdáleném 450 mil. Údaje, které vědci shromáždili, komplikují jejich obraz tohoto nekonečného světa: nyní se zdá, že exotické formy neutrin, tzv. Antineutrin, nemusí dodržovat stejná pravidla oscilace jako ostatní neutrin.
"Co je v pohodě, " říká Conrad, "že to není to, co jsme očekávali."
Co se týče neutrin, je jen velmi málo.
Poslední kniha Ann Finkbeinerové, Grand a Bold Thing, je o Sloan Digital Sky Survey, snaze zmapovat vesmír.
Většina neutrin, která nás bombardují, pochází ze Slunce, která je zde zobrazena na ultrafialovém snímku. (NASA) 
Úžasný detektor Super-Kamiokande v Japonsku je potažen 13 000 senzory, které určují známky neutrin. Pracovníci na lodi monitorují zařízení, jak se plní vodou. (Observatoř Kamioka, ICRR (Institut pro výzkum kosmických paprsků), Tokijská univerzita) 
V řadě reakcí v jádru Slunce atomy vodíku vytvářejí heliem fúzí. Proces uvolňuje energii a subatomické částice, včetně neutrin. Když foton nebo částice světla opouští husté jádro Slunce, uvězní se v žáru a zuřivosti a nemusí se k nám dostat miliony let. Ale solární neutrino je nezničeno a dosáhne Země za osm minut. (Samuel Velasco / 5W Infografika) 
Kanadská observatoř Sudbury Neutrino potvrdila, že neutrino může změnit svou identitu. (SNO) 
Fyzici v Brookhaven National Laboratory v New Yorku, kteří jsou zde uvedeni v detektoru STAR v laboratoři, doufají, že natočí neutrinový paprsek pod zem do dolu Homestake v Jižní Dakotě. (BNL) 
Detektor MINOS neutrin v Minnesotě je terčem paprsků neutrinů vystřelených z Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRIN spektrometr, který bude měřit hmotnost neutrina, vymačkaný v Leopoldshafenu v Německu, na cestě do laboratoře. (Karlsruhe technologický institut) 
Detektor IceCube v Antarktidě je zabudován do ledu. S 5 000 senzory připojenými k více než 70 linkám bude IceCube hledat neutrina, která prošla planetou 8 000 mil. (University of Wisconsin-Madison) 
Řada senzorů sestupuje do hloubky 8 000 stop. (Jim Haugen / Národní vědecká nadace)
