Jak by vypadal vesmír bez neutrin

Drahý Time,

odpusť mi, prosím, ten click bait z perexu, rozhodně přenecháme otázku Stvořitele filozofům a teologům a budeme se věnovat opět jenom fyzice. Nicméně k té otázce mne přivedl samotný fakt existence neutrin a toho, jak fungují. Spousta rovnic a fyzikálních dějů by byla jednodušší bez neutrin.

Neutrino je opravdu velmi, velmi málo hmotná částice, s velmi malým účinným průřezem interakce, na kterou trochu působí gravitace a slabá jaderná interakce, jinak nic. Je to taková duchařská částice, pro kterou je hmota víceméně průhledné. Takové obyčejné neutrino proletí skrz naskrz celou Zemí, aniž by si toho všimlo. Malá odbočka, to, že proletí kde čím není dáno malým průřezem, ten má i foton nebo elektron, ale na rozdíl od neutrina na ně působí elektromagnetické síly, které jsou mnohem silnější než slabá jaderná interakce anebo gravitace.

První podezření na existenci neutrina vyslovil Wolfgang Pauli v roce 1931 při studiu beta rozpadu atomu, který produkoval proton a elektron. Výsledná energie částic po rozpadu byla o něco málo nižší, než by měla být a nedalo se to svést na chybu měření. Elektrický náboj souhlasil, náboje protonu a elektronu dají dohromady neutrální náboj, ale energie a moment hybnosti byl trošku jiný, menší. A protože tajemná částice byla elektricky neutrální, Pauli navrhoval nazvat ji neutronem. To bylo v roce 1931, neutron samotný byl objeven až o rok později a bylo to něco úplně jiného. Proto Enrico Fermi, který jako první rozpracoval bližší teorii o neutrinech, navrhl používat italské slovo pro malý a neutrální - neutrino (velký a neutrální je neutron).

Poprvé se jej podařilo experimentálně prokázat až v roce 1956, protože tu malou potvůrku je vážně obtížné jakkoli detekovat. Nakonec jí bylo osudné pozorování inverzního beta rozpadu. Ten spočívá v:

νˉe​+p→n+e+,

s tím, že to νˉe znamená elektronové antineutrino, ta čárka na být nad tím ν, ale na webu to nejde rozumně napsat.

Samotné pozorování prováděli v roce 1956 Clyde Cowan a Frederick Reines. Použili jako silný zdroj antineutrin z jaderného reaktoru v Savannah River a detektorem bylavelká nádrž s vodou a kadmiem. Sledovali gama záblesky, vždy dva ze sebou. První přišel z anihilaci elektronu a pozitronu, druhým potom pocházel ze záchytu volného neutronu atomem kadmia. Na podobném principu pracují i současné detektory neutrin jako je KamLAND nebo Juno. Reines za to dostal v roce 1995 Nobelovu cenu za fyziku.

Když si vezmeš opravdu pro fyziku klíčové rovnice, většinou jsou jasné, stručné, geniální a hlavně elegantní. Třeba známá

E = m.c2

která svazuje hmotu s energií, klíčový postulát obecné teorie relativity. Oproti tomu takový beta rozpad je:

n→p+e−+νˉe

Taky si říkáš, proč by nešlo, aby se neutron rozpadl jednoduše na proton a elektron? K čemu je tam to neutrino? Jasně namítneš, že v případě tohoto rozpadu se musíme podívat dovnitř jednotlivých nukleonů, na kvarky, protože neutron je udd a proton oproti tomu je uud, tedy jeden down kvark se musí změnit na up kvark. Ta rovnice potom vypadá:

d→u+e−+νˉe

takže by bylo pravdivější lamentovat na tím, proč se down kvark nezmění na up kvark a elektron?

Stručně řečeno - velmi fádně. Sem tam mračno plynu, sem tam černá díra, která z mračna plynu vznikla, ale nikde žádné hvězdy. Klíčová reakce ve Slunci je sloučení dvou protonů a vznik deuteria:

p+p→d+e++νe

Kdyby nebyla neutrina, nemělo by co odnášet zbylou energii a reakce by neprobíhala. Kromě toho, aby mohlo platit, že:

n→p+e-

musela by být hmotnost elektronu o dost jiná. V současnosti platí, že:

(mn​−mp)/mn​​​≈0,0014

což je výsledek velmi jemné rovnováhy.

Takže se ukazuje, že to nebyla ledabylá práce, ale ve skutečnosti velmi jemné ladění, velmi jemné nastavení rovnováhy, bez kterého by náš vesmír prostě nefungoval.

Poznámka na závěr: Taky Tě trkla ta nesrovnalost v normálním a inverzním beta rozpadu? Jednou se neutron rozpadne na proton, elektron a antineutrino a podruhé vytvoří proton s antineutrinem neutron a pozitron. Aby ta energie souhlasila, musí si půjčit vazebnou energii z jádra atomu. Proton sám o sobě je velmi stálý, zato neutron je ryze společenská potvora. Samotu nesnáší, když se octne mimo jádro, do 15 minut se sám rozpadne.