Proč neutrina mění svůj druh?
Neutrino vytvořené jako určitý druh může ve vzdáleném detektoru vyvolat interakci odpovídající jinému druhu. Tento jev nazýváme neutrinové oscilace. Souvisí s tím, že kvantové stavy s určitou hmotností nejsou totožné se stavy, podle kterých neutrina rozpoznáváme při jejich vzniku a zachycení.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní vysvětlující schéma.
Co znamená druh neboli příchuť neutrina
Rozlišujeme elektronová, mionová a tauonová neutrina. Označení souvisí s nabitými částicemi, které se účastní příslušných reakcí: elektronem, mionem a tauonem. Anglické slovo *flavour* se překládá jako příchuť; jde o fyzikální druh, nikoli další běžně pozorovatelnou vlastnost.
Při vhodné interakci v detektoru může například mionové neutrino vytvořit mion, elektronové neutrino elektron. Podle měřitelných stop těchto druhotných částic se odvozuje druh zachyceného neutrina. Konkrétní zařízení popisuje téma o neutrinových observatořích.
Jeden kvantový stav můžeme popsat dvěma způsoby
Vedle tří neutrinových druhů používáme také tři hmotnostní stavy, označované čísly 1, 2 a 3. Každý z nich má určitou hmotnost. Tato čísla jsou pouze označení stavů, nikoli hodnoty jejich hmotností.
Elektronové, mionové a tauonové neutrino však nemůžeme jednoduše přiřadit po jednom k těmto třem hmotnostním stavům. Například elektronové neutrino je kvantovou kombinací všech tří, přičemž každý přispívá jinou měrou. Mionové a tauonové neutrino tvoří jiné kombinace stejných tří stavů. Takovou kvantovou kombinaci označujeme jako superpozici.
Jde stále o jedno neutrino. Jeho stav popisujeme pomocí tří složek, které se během letu vyvíjejí odlišně. Tím se mění jejich vzájemné sladění, a tedy i pravděpodobnost, zda při zachycení rozpoznáme elektronové, mionové, nebo tauonové neutrino. Právě tato změna pravděpodobností je podstatou neutrinových oscilací.
Proč záleží na vzdálenosti a energii
Změna pravděpodobností závisí na dráze letu, energii neutrina, směšování stavů a rozdílech čtverců jejich hmotností. Proto může být stejný svazek v různých vzdálenostech zachycen s odlišným poměrem druhů.
Úvodní graf ukazuje zjednodušený model dvou druhů: při stejné energii s délkou dráhy klesá a opět roste pravděpodobnost původního druhu. Současně se mění pravděpodobnost druhého. Reálná analýza pracuje se třemi druhy, rozdělením energií a případně i vlivem látky, kterou neutrina procházejí. Oscilace tedy nemusí být vyvolána srážkou s prostředím; probíhá také ve vakuu.
Jak lze změnu druhu skutečně změřit
Experiment může pozorovat úbytek původního druhu nebo výskyt jiného druhu, kterého má být ve zdroji jen málo. Například T2K porovnává svazek připravený v J-PARC s měřením v Super-Kamiokande po cestě dlouhé přibližně 295 kilometrů.
Blízké detektory pomáhají určit počáteční složení a energie svazku. Ve vzdáleném detektoru se pak počítají jednotlivé druhy událostí a porovnávají s očekáváním. Je třeba zahrnout i účinnost přístroje a případy záměny signálů. Samotný nižší počet zachycených neutrin bez takové kontroly by změnu druhu spolehlivě neprokazoval.
Co oscilace říkají o hmotnosti a co měří jiné pokusy
Oscilace prokazují, že hmotnostní stavy nejsou všechny stejně těžké a že alespoň některá neutrina mají nenulovou hmotnost. Oscilace nám prozradí, o kolik se liší druhé mocniny hmotností neutrinových stavů. Samotné jednotlivé hmotnosti z toho ale určit nedokážeme: stejný rozdíl druhých mocnin mohou dát různé dvojice hodnot. Proto potřebujeme také jiné druhy měření, například experiment KATRIN popsaný níže.
Jinou cestou jde KATRIN v Karlsruhe: zkoumá rozdělení energií elektronů při radioaktivním rozpadu tritia, těžšího izotopu vodíku. Hmotnost neutrina se projevuje jemnou změnou na konci tohoto rozdělení. Kosmologie zase zkoumá společný vliv neutrin na vznik struktur. Vzájemné porovnání pomáhá ověřovat modely; různé metody mají různé předpoklady. Samotné oscilace také neříkají, zda je neutrino svou vlastní antičásticí.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Změna neutrinového druhu je pozorovatelný projev kvantového vývoje na velké vzdálenosti. Umožňuje zkoumat hmotnosti i směšování částic a propojuje laboratorní experimenty s vývojem vesmíru.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)