Neutrina rychlejší než světlo
21. 10. 2011
Tým evropského experimentu OPERA v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN naměřil u pozorovaných neutrin o něco málo větší rychlost, než je rychlost světla. Jde jen o chybu měření, nebo o převratný objev, který změní náš dosavadní pohled na vesmír? Podle Einsteinovy teorie relativity, kterou uznávají vědci na celém světě, by totiž nic nemělo mít větší rychlost než světlo. Vědci nyní své výsledky zveřejnili, aby umožnili diskusi ve vědeckých kruzích. Své slovo řekne též náš experimentátor Michael.
Filip: Koncem února 1987 měli astronomové celého světa velice napilno. Ovládla je vzrušená atmosféra očekávání.
Tereza: Dalekohledy se soustředily na jedinou oblast noční oblohy.
Michael: Tou oblastí byla mlhovina v Tarantuli. Objekt asi 51 kiloparseků, to je asi 168 000 světelných let od Země.
Filip: A pak se to náhle stalo. Supernova!
Tereza: Exploze hvězdy, při níž vznikne extrémně silný záblesk záření. Jeho síla je tak mohutná, že nakrátko přezáří celou galaxii.
Michael: Skutečná supernova vzplála samozřejmě před 168 000 lety. Přibližně v době, kdy se na Zemi objevil anatomicky už dnešní homo sapiens.
Filip: Tedy my, kteří pocházíme z východní Afriky. Ale toho 23. února 1987 fotony světla ze supernovy SN 1987A, jak supernova v Tarantuli dostala své astronomické označení, dopadly na Zemi poprvé.
Tereza: Vzrušující podívaná. Ale dříve než na Zemi dopadlo světlo od supernovy, stalo se něco velice podivného.
Michael: Přibližně čtyři hodiny předtím, než na dalekohledy na Zemi dopadly první fotony světla ze supernovy SN 1987A, byl na třech různých pozemských observatořích zachycen záblesk neutrin.
Filip: I tato neutrina pocházela ze supernovy. Ale na naši planetu dopadla dříve než světlo ze stejného zdroje.
Michael: Pokud se sem dostala dříve, musí to tedy znamenat, že sem putovala rychleji. Rychleji než je rychlost světla!
Filip: Michaele, počkejte, může se něco takového opravdu stát? Neříkal přece Einstein, že není nic rychlejší než světlo? Mimochodem, co je to – to neutrino?
Michael: Tento detektor zjišťuje beta rozpad.
Filip: To je typ radioaktivity, při němž se neutron rozpadá na proton a elektron.
Michael: Elektron je záporně nabitý a proton kladně. Díky svým nábojům se tyto částice dají snadno zjistit.
Filip: Objev beta rozpadu má svou zajímavou historii.
Tereza: Atomoví fyzici, Líza Meitnerová a Otto Hahn, roku 1911 poukázali na to, že celková energie protonu a elektronu, uvolněná při beta rozpadu …
Filip: … tedy rozpadu neutronu …
Tereza: … je menší, než energie původního neutronu.
Filip: Byl to zdánlivý rozpor proti zákonu o zachování energie. Vypadalo to totiž, že se při beta rozpadu energie se ztrácí.
Tereza: Meitnerová s Hahnem pro to neměli vysvětlení.
Filip: S vysvětlením přišel rakouský vědec Wolfgang Pauli.
Michael: Ve svém slavném dopisu z roku 1930 navrhoval, že během beta rozpadu vzniká nejen proton a elektron, ale i další, dosud neznámá velice lehká částice bez elektrického náboje, která by chybějící energii nesla.
Filip: Tím, že tato nová částice nemá žádný náboj, nepůsobí na ni elektromagnetické pole. Proto je však velmi obtížné tuto částici detekovat.
Michael: Slavný italský fyzik Enrico Fermi tuto novou částici nazval neutrino …
Filip: …ten maličký, neutrální. Neutrončíček.
Tereza: Ve skutečnosti jsou neutrina všude kolem nás. Ovšem nevidíme je, ani žádným jiným smyslem je necítíme. Jen velice zřídka totiž interagují se hmotou.
Michael: Přesto právě teď miliardy neutrin pronikají mým tělem.
Filip: A nejen tvým.
Michael: Pak pokračují dál terénem, celou zeměkoulí, aniž by je cokoli zastavilo, dál do vesmíru a možná i za něj. Pouze velice, velice, velice náhodně neutrino interaguje s hmotou, a to nám umožňuje, abychom ho spatřili. Odkud neutrina přicházejí? Většina neutrin, která teď procházejí mým tělem, přichází z našeho vlastního termojaderného reaktoru – ze Slunce.
Tereza: Neutrina, přicházející ze Slunce, začali vědci měřit v roce 1960. K jejich zachycení umístili hluboko do podzemí obří nádrže s vodou. Většina neutrin nádržemi samozřejmě prošla přímo, aniž byla zachycena.
Filip: Přesto ve velice vzácných případech, které se však daly statisticky zaznamenat, neutrino interagovalo s protonem z molekul vody. Vzniklé gama záření zachytily připravené scintilátory.
Tereza: K velkému překvapení vědců tento objev vedl k nové záhadě, obklopující neutrina. Tato záhada začala být známa jako problém slunečních neutrin.
Michael: V podstatě, Filipe, vědci zjistili, že počet neutrin odpovídal jen třetině až polovině předpokládaného množství.
Filip: Co bylo příčinou této nesrovnalosti? Kdepak ta neutrina jsou?
Michael: The solution came thirty years later with the discovery that neutrinos exist as three different types, called flavours: electron, muon and tau neutrino flavour. Scientists measuring the neutrinos from the Sun could only detect one type, one flavour of neutrino. So the neutrions were there, but we just couldn’t detect them.
Řešení přišlo o třicet let později s objevem, že neutrina existují ve třech odlišných podobách, nazvaných „vůně“: neutrino elektronové, mionové a tauonové. Když vědci měřili neutrina ze Slunce, zachytili pouze jediný jejich druh. Další neutrina tam byla také, ale my jsme je nebyli schopni zjistit.
Filip: Následující výzkum ukázal, že jakékoli neutrino ve skutečnosti přechází mezi třemi různými typy neboli vůněmi, jak říkají fyzikové.
Tereza: Těmto přechodům se říká neutrinové oscilace a mají závažný důsledek: Aby částice mohla oscilovat, nemůže mít nulovou hmotnost.
Filip: A s hmotností neutrin úzce souvisí otázka jejich rychlosti.
Michael: Ano, pokud neutrina podle Einsteinovy teorie relativity nemají žádnou hmotnost, pak se musejí – musejí – pohybovat rychlostí světla. Když ale nějakou hmotnost mají, i když nepatrnou, rychlost světla dosáhnout nemohou. Nemohou.
Tereza: Proto v posledních týdnech zavládlo to velké vzrušení mezi fyziky, kteří se účastní na projektu OPERA ve švýcarském CERN a italském Gran Sassu. Na supercitlivých a superpřesných detektorech opakovaně zachytili důkaz, že se neutrina pohybují rychleji než samotné světlo.
Filip: Celkem bylo zaznamenáno 16 111 případů, kdy neutrina, vyslaná z urychlovače v ženevském CERN dorazila do detektorů v italském Gran Sassu o 61 nanosekund dříve, než by odpovídalo fotonům světla. O 61 nanosekund rychlejší?
Michael: Ano.
Filip: Co si mám pod tím představit?
Michael: Jak si to představit? Tak na pomoc si vezmu trošku kuchyňské fyziky. Totiž nejprve musíme vypočítat rychlost světla.
A k tomu – all we need is a microwave oven and a slice of bread.
…všechno, co potřebujeme, je mikrovlnka a krajíc chleba.
Tereza: Jediný krajíc chleba položíme na talíř a umístíme do mikrovlnné trouby. Pozor, předem z ní odstraníme všechny pohyblivé části.
Filip: Čas na ovládání jsme odhadem nastavili na dvě a půl minuty. Důležité však bude, abyste okénkem sledovali, co se děje s krajícem chleba uvnitř.
Tereza: Až začne hnědnout, je hotovo. Stojaté vlny mikrovlnného vlnění vytvořily v místech uzlů tmavší skvrny.
Michael: Here we have half a wavelength, we measure half a wavelength.
Zde máme polovinu vlnové délky. Měříme její polovinu.
Filip: Tak pozor. Já bych řekl, šest a půl centimetru.
Michael: Jdeme to spočítat, pojď.
Tereza: Rychlost světla vypočteme, když vlnovou délku vlnění …
Filip: … v našem případě třináct centimetrů – tedy třináct setin metru …
Tereza: … vynásobíme frekvencí vlnění. U mikrovlnné trouby je to 2450 megaHertzů.
Michael: To je náš výsledek. A domnívám se, že to není až tak špatné.
Tereza: A jak se na překvapivá měření z Gran Sassa dívá náš teoretický fyzik Dr. Jiří Hošek?
Ing. Jiří Hošek, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR: Ten experiment OPERA je třeba brát vážně. Prostě sto padesát profíků tři roky měřilo, rok prověřovalo, než pustili výsledek do světa. A ta přesnost tak, jak ji oni teď publikují, je opravdu impresivní.
Filip: Tým fyziků z Gran Sassa zatím své výsledky nehodnotil. Vyzval k tomu kolegy z celého
Ing. Jiří Hošek, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR: Od té doby už vzniklo několik desítek teoretických prací, které se snaží tento experiment interpretovat.
Tereza: Jak existenci nadsvětelných neutrin hodnotí Dr. Hošek?
Ing. Jiří Hošek, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR: Tak zaprvé: experiment je špatně. To se vyloučit nedá a je to takový nejbezpečnější přístup k tomuhle experimentu. Pojďme počkat, až ho prověří jiné experimenty. A protože oscilačních experimentů je víc, tak to nebude moc dlouho trvat. Zadruhé: experiment je správně a my vlastně bychom měli začít velmi tvrdě přemýšlet, jestli se nedá vymyslet takový koncept, abychom nemuseli sahat na základní dogmata teoretické fyziky. Zatřetí: Tenhle experiment říká, že je třeba sáhnout na dogma teoretické fyziky, na speciální relativitu, která ovšem řídí podle mých standardů částicovou fyziku už léta letoucí. S takovouhle interpretací já osobně nechci mít nic společného.
Filip: Interpretací výsledků z Gran Sassa je ještě více. Některé například předpokládají existenci takzvaná sterilních neutrin, která souvisejí s dalšími dimenzemi.
Tereza: Neutrina v Gran Sassu byla na vzdálenost 730 kilometrů od ženevského CERN rychlejší o dvacet metrů než fotony. Na potvrzení tohoto objevu si ale ještě musíme počkat.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough