Nobelova cena za fyziku pro lovce neviditelných chameleonů

Představte si, že stojíte na dně obrovského podzemního válce umístěného kilometr pod zemským povrchem a z poloviny zatopeného vodou. Všude kolem vás jsou tisíce vakuových skleněných baněk, rozmístěných v pravidelných rozestupech na podlaze i stěnách nádrže. Náhle jedna z nich praskne; tlaková vlna vyvolaná implozí se šíří vodou a kdykoliv zasáhne další skleněnou nádobku, zničí ji. Hukot sílí, ničivá vlna dosáhne stěn detektoru a rozběhne se po nich vzhůru. Po několika desítkách vteřin je dílo zkázy dokonáno, všech asi sedm tisíc momentálně zatopených baněk vezme zasvé.

Tato havárie není plodem zlého snu, odehrála se v listopadu 2001 v obřím detektoru zvaném Super-Kamiokande. Zavinila ji neobratná manipulace při opravě unikátního podzemního „dalekohledu“ vybudovaného v opuštěném zinkovém dole v japonských Alpách. Oprava gigantické nádrže o průměru asi 40 metrů naplněné 50 tisíci tunami vysoce čisté vody a obklopené složitými měřicími aparaturami, si tehdy vyžádala miliony dolarů. Nejdůležitější úkol však detektor stihl splnit ještě před nehodou. V druhé polovině 90. let přispěl k objevu, za který byla letos udělena Nobelova cena za fyziku.

Na lovu fantomů

Částice, které detektor Super-Kamiokande zachycuje, se nazývají neutrina. Jsou všude kolem nás; některá vznikla již při velkém třesku, další se rodí při výbuších supernov, v zemské atmosféře při dopadu kosmického záření, v malé míře též v nitru jaderných reaktorů. Drtivá většina neutrin přitom prochází hmotou, aniž s ní jakkoliv interaguje. Naše planeta je pro ně v podstatě průhledná, prolétávají jí stejně snadno jako vzduchoprázdným prostorem. Lidským tělem prochází biliony neutrin za sekundu, ale během celého našeho života se zachytí pouze jedno.

Detektor těchto subatomárních částic je proto rozumné vybudovat v podzemí, kudy neutrina bez problémů prolétají, ale kde odpadají rušivé vlivy. Většina neutrin sice projde podzemní nádrží nepozorovaně, občas se ale jedno z nich v superčisté vodě srazí s atomovým jádrem nebo elektronem, čímž prozradí svoji přítomnost; některý z 11 tisíc fotonásobičů na dně a stěnách nádrže – oněch kolabujících skleněných baněk v popsané havárii – zachytí záření, které při srážce vzniká, a vyšle signál do měřící aparatury.

Existenci neutrin předpověděl v roce 1931 Wolfgang Pauli, zachytit se je poprvé podařilo až v druhé polovině 50. let. Teoretičtí fyzikové nové částici přiřkli nulovou hmotnost. Jinými slovy, pojali podezření, že neutrino neváží nic nebo téměř nic; kdybychom je položili na sebepřesnější váhu, neukázala by ručička žádnou výchylku. Objevovaly se ale i první pochybnosti. Mimo jiné proto, že kdyby neutrina přece jen něco vážila, mohla by se v nich skrývat část hmoty, která v kosmu schází – registrujeme její gravitaci, nikdo ji však nikdy neviděl.

Především se ale fyzikové od 60. let řešili záhadu, která s hmotností těchto částic souvisí: nemohli se dopočítat neutrin přilétajících ze Slunce, scházely jich plné dvě třetiny. Jako by sluneční jaderná pec žhnula podle jiných zákonů, než známe – což je dost nepravděpodobné například vzhledem k tomu, že se podařilo vyrobit vodíkovou bombu. Pravděpodobnější bylo, že se neutrina po cestě ze Slunce kamsi ztrácejí. Jenže kam, když je pro ně vesmír v podstatě průhledný a prolétají jím bez povšimnutí?

Stopa neznámé fyziky

Brzy se proto objevilo jednodušší vysvětlení neutrinové záhady. Podle Standardního modelu, desítky let budované teorie mikrosvěta, existují tři typy těchto částic - a je možné, že neutrina mohou během letu oscilovat. Přecházet mezi jednotlivými typy podobně jako když chameleón mění kůži. Jelikož detektory nutně nemusejí zachycovat všechny typy neutrin, mohly by jim některé z těchto pozměněných fantomů uniknout – odtud by pocházel pozorovaný deficit. A pokud by neutrina opravdu oscilovala, musela by být hmotná.

Detektor Super-Kamiokande a další podobné zařízení, Sudbury Neutrino Observatory v Ontariu, ukázaly, že neutrina skutečně oscilují, tedy že opravdu jsou „chameleony“. Musejí proto „něco vážit“, jejich hmotnost nemůže být nulová. Objev má dalekosáhlé důsledky ve fyzice částic – naznačuje, že Standardní model není úplným popisem přírody a za jeho hranicemi existuje fyzika, kterou dosud neznáme. Nobelovu cenu proto letos získali vědci, kteří k němu prošlapali cestu: Japonec Takaaki Kadžita a Kanaďan Arthur B. McDonald, klíčoví průkopníci a experti kolem japonského a kanadského detektoru.

Neutrino je zřejmě velmi lehké, kolik přesně váží, ale nevíme – hmotnost se dosud nepodařilo změřit. Odhaduje se nicméně, že všechna neutrina v kosmu by společně vyvážila všechny svítící hvězdy. To rozhodně není zanedbatelné, neutrina svou gravitací ovlivňují vesmír a znalost jejich přesné hmotnosti by umožnila lépe propočítat budoucnost kosmu.

Kromě toho se kolem těchto záhadných částic vynořuje řada dalších otázek, které nyní vědci intenzivně zkoumají: Proč se neutrina tolik liší od jiných elementárních částic? Proč jsou tak lehká? Jsou neutrina svými vlastními antičásticemi?

Když se v roce 2001 definitivně prokázalo, že neutrina mají hmotnost, mnoho fyziků nepochybovalo, že za objev bude jednou udělena Nobelova cena. Ten čas právě nastal. Řešení dalších záhad obestírajících neutrina pak může vědcům vystavit letenku do Stockholmu i v budoucnu.