Proč fyzici loví nejpodivnější z dýchacích částic


Každou jednu sekundu každého dne budete bombardováni třemi miliardami biliónů subatomických částic, které se z hlubin vesmíru osprchují. Protínají vás silou kosmického hurikánu a střílí téměř rychlostí světla. Přicházejí z celého nebe, po celou noc a noc. Protínají magnetické pole Země a naši ochrannou atmosféru jako tolik másla.

A přesto vlasy v horní části hlavy nejsou dokonce ani zvlněné.

Co se děje?

Tyto drobné kuličky se nazývají neutriny, termín vytvořený v roce 1934 brilantním fyzikem Enricem Fermi. Slovo je poněkud italské pro "trochu neutrální" a jejich existence byla hypotézou, že vysvětluje velmi zvědavou jadernou reakci. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Někdy se prvky cítí trochu … nestabilní. A pokud zůstane sám příliš dlouho, rozpadnou se a přemění se na něco jiného, ​​něco trochu lehčího na periodické tabulce. Kromě toho by vyskočil malý elektron. Ale ve dvacátých letech 20. století pozorné a podrobné pozorování těchto rozpadů našly drobné, nigglerové nesrovnalosti. Celková energie na začátku procesu byla o něco daleko větší než energie, která vyšla. Matematika se nepřidala. Zvláštní.

Několik fyziků tedy vytvořilo úplně novou částečku z celé látky. Něco, co odvést chybějící energii. Něco malého, něco světla, něco bez poplatku. Něco, co by mohlo projít jejich detektory bez povšimnutí.

Trochu neutrální. Neutrino.

Trvalo dalších pár desetiletí, než bylo potvrzeno jejich existence – to je tak kluzký a chamtivý a záludný. Ale v roce 1956 se neutrinové připojily k rostoucí rodině známých, měřených, potvrzených částic.

A pak to bylo divné.

Problém začal pivovarem s objevem muonu, který se náhodně objevil ve stejnou dobu, kdy neutrino nápad začal získávat půdu: třicátá léta. Mion je téměř přesně jako elektron. Stejné nabití. Stejné točení. Ale je to zásadní rozdíl: Je to těžší, více než 200krát více masivní než jeho sourozenci, elektron.

Muoni se účastní svých vlastních druhů reakcí, ale nemají tendenci trvat dlouho. Kvůli jejich působivému objemu jsou velmi nestabilní a rychle se rozpadají na sprchy menších kousků ("rychle" tady znamená za mikrosekundu nebo dvě).

To je všechno dobré a dobré, proč se tedy muži podílejí na příběhu o neutrině?

Fyzici si všimli, že rozpadové reakce, které naznačovaly existenci neutrinové, měly vždy elektronový pop a nikdy nebyly muony. Při jiných reakcích by se objevily muony, a nikoli elektrony. Vysvětlení těchto zjištění vysvětluje, že neutrinové se v těchto rozpadových reakcích vždy shodují s elektrony (a nikoliv jiným typem neutrinu), zatímco elektron, muon musí spárovat s dosud neobjeveným typem neutrinu. elektronový neutrinový přístroj by nebyl schopen vysvětlit pozorování z událostí muonu. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

A tak pokračoval lov. A dál. A dál. Teprve v roce 1962 se fyzici nakonec dostali zámku na druhý druh neutrino. Původně to bylo nazváno "neutrettem", ale racionálnější hlavy převažovaly se schématem nazývaného muon-neutrino, protože se vždy spároval v reakci s muoni.

Dobře, tak dvě potvrzené neutriny. Byla nám příroda pro nás více? V roce 1975 vědci Stanfordského lineárního akcelerátorského centra odvážně přetékali hory monotónních dat, aby odhalili existenci ještě těžšího sourozence k agilnímu elektronu a těžkému muonu: tupý tau, který se pohybuje na neuvěřitelných 3500násobných hmotách elektronu . To je velká částečka!

Takže ihned se otázka stala: Pokud existuje rodina tří částic, elektronu, muonu a tau … mohl by existovat třetí neutrino, aby se spároval s tímto nově objeveným stvořením?

Možná možná ne. Možná jsou jen dva neutriny. Možná jsou čtyři. Možná 17. Příroda předem neplnila naše očekávání, takže neměli důvod začít.

V průběhu desetiletí přeskočili přes mnoho strašidelných detailů a fyzici se přesvědčili s použitím různých experimentů a pozorování, že by měl existovat třetí neutrino. Ale až do okraje tisíciletí, v roce 2000, konečně získal specificky navržený experiment na Fermilabu (nazvaný humorně experiment DONUT, pro přímé pozorování NU Tau a ne, to nedělám) dostatek potvrzených pozorování, aby správně prohlásili detekci.

Takže, proč se nám tak moc zajímají o neutriny? Proč jsme je honili za více než 70 let, před druhou světovou válkou do moderní doby? Proč jsou tyto generace vědců takové malé, neutrální?

Důvodem je, že neutriny stále žijí mimo naše očekávání. Dlouho jsme si ani nebyli jisti, že existují. Dlouho jsme byli přesvědčeni, že jsou naprosto bezmasí, až experimenty nepříjemně zjistili, že musí mít maso. Přesně "kolik" zůstává moderním problémem. A neutrinové mají tento nepříjemný zvyk měnit charakter, když cestují. To je správné, když neutrino cestuje za letu, může přepínat masky mezi třemi příchutěmi.

Mohlo by tam být ještě nějaký další neutrino, které by se neúčastnilo žádných obvyklých interakcí – něco známého jako sterilní neutrino, které fyzici hladově loví.

Jinými slovy, neutrinové neustále napadají vše, co víme o fyzice. A pokud je jedna věc, kterou potřebujeme, jak v minulosti, tak iv budoucnosti, je to dobrá výzva.

Paul M. Sutter je astrofyzik Ohio státní univerzita, hostitel Zeptejte se kosmonautovi a Vesmírné rádio, a autor knihy Vaše místo ve vesmíru.

Původně publikováno dne Živá věda.