Jak lovíme neutrina a proč by bez nich nevznikl život

Drahý Time,

v minulém pokračování jsme se bavili o tom, jak by vypadal vesmír bez neutrin, že by byl velmi tmavý, plný rozptýlených plynných mračen, jenom sem tam by svítil akreční disk černé díry. Bez nich by se nedokázal vodík slučovat v hélium a vyšší prvky, žádná hvězda by nesvítila ve vesmíru bez neutrin.

V minulém článku jsme se bavili o tom, že se povedlo ulovit neutrina z beta rozpadu a hned tu byl dotaz, jak na něco podobného vůbec přišli. Teď bych to rád objasnil.

Samotný beta rozpad je dobře a dlouho známý jev. Celá řada prvků se takto samovolně rozpadá. Fyzikové potom měřili, co při beta rozpadu vylétá ven a protože to je proton a elektron, dvě nabité částice, dá se to měřit poměrně snadno. Nicméně velmi matoucí bylo, že když si prohlíželi spektrum toho záření, tak bylo spojité. Z fyziky už od Einsteina a jeho objasnění fotovoltaického jevu, nebo třeba vyzařování černého tělesa, víme, že spojité spektrum ve svém důsledku znamená nekonečnou energii. A že na řadu přichází kvantování.

Jenomže kvantování se u beta rozpadu nekonalo. Z toho vyšel nápad, že se nejedná o rozpad jenom na dvě tělesa, proton a elektron, ale že tam je ještě jedna nebo více neznámých částic, které odnášejí energii rozpadu a které nedokážeme detekovat. Že jsou to neutrina, to zkoumal právě Fermi.

A teď se dostaneme k druhému a to Inverznímu beta rozpadu. Ten nebyl pozorován, ale předpovězen právě Enrico Fermim. Ten pracoval s matematickými prvky, které popisují fyzikální stavy, jako je Lagranián nebo Hamiltonián a došel k tomu, že by měl existovat i poněkud opačný směr rozpadu, kdy produktem nebude proton a elektron (plus elektronové antineutrino), ale neutron a pozitron. Na to potřeboval, aby se dalo dohromady právě elektronové antineutrino s protonem. A výsledek znáš, byla jím provedena první detekce antineutrin v Cowanově–Reinesově neutrinovém experimentu. Zajímavé je, že nedetekovali přímo neutrino, ale až následky jeho působení, dva záblesky, první, když pozitron našel někde v prostředí elektron a došlo ke vzájemné anihilaci a druhý, když se volný neutron začlenil do atomu kadmia. Bylo spočítáno, jak dlouho po sobě mají ty záblesky v průměru nastat a tak bylo na Nobelovku zaděláno. Dneska na stejném principu fungují detektory neutrin jako je třeba KamLand.

Máme i další způsoby, jak lovit neutrina a to díky jevu, který se nazývá Čerenkovovo záření. Jakkoliv je neutrino opravdu částice duchů, jenom za jednu sekundu proletí Tvým tělem přibližně 100 000 000 000 000 neutrin, které vznikly ve Slunci a ani o tom nevíš. Přesto se stane, že se sem tam neutrino srazí s nějakým kusem hmoty, s kvarkem uvnitř nukleonu nebo s elektronem v elektronovém obalu atomu, dojde k produkci různých typů částic. Čím více energie v sobě neutrino má, tím větší energii předá výsledným částicím ze srážky. A ty se mohou pohybovat tak, že vyvolají vznik Čerenkovova záření, což je obvykle slabé namodralé světlo. Jak přesně vzniká a proč Ti AI bez uzardění řekne, že je to kvůli překročení rychlosti světla v látce se dočteš na Wiki. Spoiler - je to fázová rychlost světla.

13.února 2023 detekovalo zařízení na lov neutrin KM3NeT neutrino s prozatím největší pozorovanou energií a to 220 PeV. Tedy 220 a 15 nul za tím. KM3NeT je systém kamer, který je umístěn hluboko ve Středozemním moři poblíž ostrova Sicílie. V dokonalé tmě mořské hlubiny ty kamery číhají na každý záblesk světla a tedy na Čerenkovovo záření. Trochu nevýhodou je, že v mořské hlubině jsou přirozeně světélkující tvorové, proto se detektory neutrin umístily třeba hluboko do antarktického ledu - detektor IceCube, nebo třeba v hlubinách nejhlubšího jezera světa - tak schválně, víš? Ano, je to Bajkal a detektor neutrin nese název Baikal-Gigaton Volume Detector.

Jednu z odpovědí jsem už poskytl, nerozběhla by se bez nich jaderná fúze, ve vesmíru by byl jenom vodík. Ale je tu druhý astrofyzikální jev, bez kterého by život nebyl možný. Samotnou fúzí vzniká u velmi hmotných hvězd jako nejtěžší prvek železo, dále už fúze místo uvolňování energie sama energii spotřebovává. Všechny další prvky jsou produktem explozí supernov nebo kilonov. A právě supernova potřebuje neutrinový ohřev. V okamžiku, kdy skončí fúze, se jádro hvězdy zhroutí a začne ve velkém inverzní beta plus rozpad, neboli elektronový záchyt (to, o čem jsme se bavili doposud byl inverzní beta mínus rozpad). Výsledkem je neutron a neutrino a to v ohromném množství. A právě v okamžiku, kdy rázová vlna výbuchu supernovy začne ztrácet energii, ji nakopnou neutrina z jádra a dojde ke kýžené velké explozi, v jejímž rámci vznikne celá řada prvků těžších než železo a hlavně se hmota hvězdy rozptýlí do vesmíru. A proto, když někdo říká, že jsme vznikli z popele hvězd, tak má naprostou pravdu. Každý atom v našem těle, který není vodík nebo hélium musel projít jádrem hvězdy.