/ Svet častíc | Slovenský portál nielen o časticovej fyzike

Neutrínové oscilácie

| 19. 11. 2015


/data/photos/tomas blazek.jpg

Neutrínové oscilácie sú javom, ktorý sa vymyká klasickej Newtonovej fyzike a môže ho vysvetliť iba kvantová mechanika.  

V klasickej fyzike poznáme jav dvoch spriahnutých kyvadiel: po rozkmitaní jedného z nich prichádza k následnému rozkmitaniu druhého spriahnutého kyvadla. Energia kmitov môže byť celkom prenesená na druhé kyvadlo, pričom sa prvé kyvadlo na moment úplne zastaví. Ak zanedbáme trenie, jav sa periodicky opakuje: opäť sa rozkmitá prvé kyvadlo a kmity druhého sú utlmené do nuly, a tak ďalej.

Napriek odlišnej fyzikálnej podstate i matematickému opisu spriahnutých kyvadiel a neutrínových oscilácií možno medzi nimi nachádzať fyzikálne analógie. Prvý typ neutrína, napríklad elektrónové, môže predstavovať stav, keď kmitá len prvé kyvadlo. Šíriac sa priestorom ako voľná častica môže byť v neskoršom čase miónovým neutrínom (kmitanie druhého kyvadla). Ako letí ďalej, premena sa periodicky opakuje, odtiaľ názov „oscilácie“. 

Podstatou to sú rozdielne javy. Spriahnuté kyvadlá opíšeme reálnymi výchylkami ako kombináciu normálnych módov. Neutrínové oscilácie vysvetlí až komplexná vlnová funkcia v kvantovej mechanike.

Nobelova cena za fyziku v r.2015 bola udelená za experimentálne overenie neutrínových oscilácii A.B.McDonaldovi, vedúcemu predstaviteľovi kanadského experimentu SNO (z anglického Sudbury Neutrino Observatory), a T.Kajitovi z japonského experimentu Super-Kamiokande. 

SNO experiment dokázal existenciu neutrínových oscilácii pre neutrína, ktoré vznikli vo vnútri Slnka a odtiaľ prekonali cestu na Zem. 

Vysvetlil tak záhadu chýbajúcich neutrín zo Slnka, ktorá fyzikov trápila už 30 rokov.

V strede Slnka horí termojadrová reakcia, v ktorej sa jadrá vodíka zlučujú na jadro hélia. Pritom sú vyžiarené pozitróny a elektrónové neutrína. Iné ako elektrónové neutrína vznikať nemôžu. Ak by vznikli ako miónové, museli by byť spolu s nimi vyžiarené kladne nabité mióny namiesto pozitrónov. Mióny sú však 200 ráz ťažšie než elektróny a pri syntéze hélia sa pre ich vznik neuvoľňuje dosť energie.  

Po prílete na Zem prakticky všetky neutrína preletia ďalej, akoby im naša Zem ani nestála v ceste. Rozumieme tomu, sú citlivé len na slabú silu. Za jednu sekundu ich prejdú miliardy cez plochu, akou je špička prstu. Vo veľkom podzemnom detektore SNO z nich v priemere zachytíme asi štyri za deň. Detektor má schopnosť zaznamenať osobitne elektrónové neutrína a osobitne všetky tri typy neutrín dokopy. Všetkých neutrín sa detektorom SNO pozorovalo presne toľko, koľko dáva výpočet pre procesy na Slnku. Avšak SNO napočítal, že iba tretina z nich sú elektrónové neutrína. Tento druhý výsledok bol v súhlase s inými skoršími experimentami, ktoré boli citlivé iba na elektrónové neutrína.

Hovoríme tak o oscilácii slnečných neutrín. Elektrónové neutrína sa premieňajú na miónové a tau-leptónové. Pozoruhodné je, že k premene na iný typ neutrín dochádza ešte v hustom strede Slnka. V tomto prípade je podstatný koherentný efekt veľkého počtu elektrónov, ktoré sú tam prítomné. 

Na rozdiel od SNO detektor Super-Kamiokande pozoroval oscilácie atmosférických neutrín s tisíc ráz vyššími energiami ako je energia slnečných neutrín. Vznikajú ako sekundárne častice po zachytení kozmického žiarenia atmosférou. Hlavný pozorovaný efekt boli chýbajúce miónové neutrína prichádzajúce zospodu, teda prechádzajúce cez Zem z opačnej strany zemegule. Počet miónových neutrín dopadajúcich zhora nebol pozmenený osciláciou. Elektrónové neutrína neoscilovali vôbec.

Pozorovaný jav vysvetľujeme osciláciou miónových neutrín na tau-leptónové neutrína. Tento posledný typ neutrín nebolo možné v experimente pozorovať, experiment bol citlivý iba na elektrónové a miónové neutrína. Nedalo sa preto experimentálne potvrdiť, že tau-leptónových neutrín pribudlo.

K opísanej premene miónových na tau-leptónové neutrína prichádza za letu cez Zem. Na rozdiel od stredu Slnka Zem nie je dosť hustá, aby sa výraznejšie prejavili koherentné efekty atomárnych elektrónov.  Pre neutrína je Zem to isté ako vákuum. Hovoríme, že pri atmosférických neutrínach ide o vákuové oscilácie.

Oscilácie neutrín, prvý raz pozorované v experimentoch SNO a Super-Kamiokande, boli v posledných 15 rokoch overené desiatkou ďalších experimentov.

Oscilácie nie je možné vysvetliť pre neutrína s nulovou hmotnosťou. Experiment tak po prvý raz dokázal, že neutrína majú nenulové hmotnosti. Z výsledkov experimentov poznáme iba číselné hodnoty pre rozdiely druhých mocnín týchto hmotností. Namerané údaje by prirodzene odpovedali neutrínam s hmotnosťami zhruba milión až sto milión ráz menšími než je hmotnosť elektrónu.

Tomáš Blažek, FMFI UK Bratislava

Film "A day with particles"

12. 3. 2021

Masterclasses 2021 - tlačová správa

2. 3. 2021

Masterclasses 2020 - tlačová správa

4. 3. 2020

ALPHA prvýkrát ochladila antihmotu pomocou laserového svetla

6. 4. 2021

Zaujímavý nový výsledok experimentu LHCb v CERN-e

23. 3. 2021

Kolaborácia ALICE otvorila cestu pre vysoko presné štúdium silnej sily

10. 12. 2020

Copyright © 2013, 2020 Svet častíc | Powered by OctoberCMS | Webdesign freelance studio, s.r.o.