Sterilní neutrina by mohla být kandidátem temné hmoty

Tldr: Výzkumníci z neutrinového detektoru BEST jsou nejspíše na stopě novému typu neutrin, které by mohly být kandidátem na původ temné hmoty ve vesmíru. Publikace v Physics Review Letters a Physical Review C.

Nezastavitelná neutrina

Zatímco sedíte a čtete tyto řádky, vaším tělem prolétá každou sekundu stovky trilionů neutrin ze Slunce, supernov a dalších kosmických zdrojů a …nic. Prostě proletí skrze vás, podlahu, zemskou kůru, a za okamžik i zadkem nějakého člověka na opačné straně planety a furt nic.

Neutrina jsou totiž velmi pronikavé částice, které skoro nic nedokáže zastavit. Fyzikálně řečeno, se jedná o leptony, které neinteragují prakticky vůbec s okolní hmotou, jsou schopny reagovat pouze skrze „slabou interakci“, která ve svém názvu už leccos naznačuje.

Právě kvůli tomu, že skoro neinteragují, se brutálně těžko zachytávají a je obtížné je zkoumat. Jejich objev je spojen s prvními výzkumy radioaktivity, kdy byly považovány za chybu při pozorování energie elektronu z rozpadávajících se jader. Čísla neseděly, energie se prostě ztrácela jinak, než bylo předpovězeno, a tak Wolfgang Pauli navrhnul, že je odnášena nějakými prazvláštními částicemi, které zatím neumíme detekovat.

Trvalo dalších 26 let, než byly experimentálně potvrzeny, ale tím trampoty kolem neutrin zdaleka neskončily, ba právě naopak.

Neutrina přehlednějc. Zdroj: Fermilab/vlastní
Neutrina přehlednějc. Zdroj: Fermilab/vlastní

Kam se ztrácí neutrina?

Neutrino není samojediné, je jich dohromady šest – tři neutrina a tři antineutrina. Jsou neutrálními společníky nabitých leptonů: lehkých elektronů, těžších mionů a nejtěžších tauonů. A aby toho nebylo málo, občas taky „změní chuť“ a tím dělají ve fyzice nepořádek! V roce 1967 zkoumali pánové Davis a Bahcal tok Slunečních (elektronových) neutrin pomocí „experimentu Homestake“ umístěném v dole v Jižní Dakotě.

Vědomi si nemožnosti detekovat neutrina přímo, šli na to chytře skrze výsledky jejich občasné interakce. Využívali nádrž naplněnou 615 tunami čistící tekutiny C2Cl4, kdy každé zachycené elektronové neutrino mělo vyprodukovat jeden atom argonu prostřednictvím interakce ve + 37Cl → e + 37Ar. Jaké bylo jejich překvapení, když naměřili pouze 1/3 očekávaného výsledku. Tento průšvih nazvaný „problém slunečních neutrin“ byl měřením potvrzen i dalšími experimenty.

Nakonec byl vysvětlen až modelem, přiřazujícím neutrinům nenulovou klidovou hmotnost, čímž byla umožněna „oscilace neutrin“. Jinými slovy neutrina prostě za letu mění svůj typ, což právě dělalo paseku v experimentech, které byly schopny detekovat jen určitý typ neutrina. Model oscilace neutrin byl pak konečně potvrzen výsledky detektoru „Super-Kamiokande“ v roce 1998, osvětlující 2/3 chybějících neutrin v původním experimentu Homestake.

BEST v celé své kráse. Zdroj: A. A. Shikhin
BEST v celé své kráse. Zdroj: A. A. Shikhin

Tím se konečně dostáváme k dnešní novince, publikované vědátory z detektoru se sebevědomým názvem Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), která ve fyzicích i čtenářích posledního odstavce vyvolá déjà vu. Zjistili totiž, že jim ve výsledcích možná chybí trocha neutrin!

Detektor BEST je umístěn hluboko v Kavkazském pohoří, aby byl alespoň částečně zaštítěn proti kosmickým částicím. Je tvořen dvoukomorovou nádrží kapalného gallia, která trpělivě sbírá neutrina vycházející z jádra ozářeného chrómu. Reakcí mezi elektronovými neutriny z chrómu 51 a galliem vzniká izotop germania 71. Dovolte mi přirovnání – experiment se tak nezaměřuje na neutrina z kosmických zdrojů, ale zkoumá je v „laboratorních podmínkách“ díky vlastnímu zcela přesně známému zdroji neutrin …pomiňme fakt, že laboratorní podmínky „mírně“ narušují triliony kosmických neutrin, na které musí vědátoři model opravit. 😊

BEST lze tak přirovnat k urychlovači LHC v CERNu, kdy si vědátoři vyrábějí srážky částic a sledují jejich rozpad, čímž v laboratorních podmínkách simulují právě kosmické urychlovače a srážeče.

Naprosto akurátní vizualizace vliv neutrin na astronomii! Zdroj: THE iDOLM@STER, vlastní
Naprosto akurátní vizualizace vliv neutrin na astronomii! Zdroj: THE iDOLM@STER, vlastní

Na stopě temnohmoty?

A tady přichází naše (ne?)příjemné déjà vu. Naměřená rychlost produkce germania 71 detektorem BEST byla o 20-24 % nižší, než se očekávalo na základě teoretického modelování! Tento rozpor je navíc v souladu s anomálií pozorovanou v předchozích experimentech.

BEST navazuje na spolupráci a zkušenosti sovětsko-amerického experimentu s galliem (SAGE), na kterém byla hlavním přispěvatelem od konce 80. let Národní laboratoř Los Alamos. Tento experiment také používal gallium a vysoce intenzivní zdroje neutrin. Výsledky SAGE a dalšího experimentu MiniBooNE naznačovaly deficit elektronových neutrin – rozpor mezi předpokládanými a skutečnými výsledky, které se staly známými jako „galliová anomálie“. To souhlasí i s nejnovějšími výsledky detektoru BEST, kde vědci napočítali o pětinu až čtvrtinu méně germania, než se očekávalo.

A tím se dostáváme k možnému důsledku těchto pozorování. Interpretace deficitu by mohla být důkazem oscilací mezi elektronovými neutriny a doposud neznámými sterilními neutriny. Tedy ani tauonové, ani mionové, ale nějaké zcela nové. „Výsledky jsou velmi vzrušující,“ řekl Steve Elliott, vedoucí analytik jednoho z týmů vyhodnocujících data a člen fyzikální divize v Los Alamos. „To rozhodně potvrzuje anomálii, kterou jsme viděli v předchozích experimentech. Co to ale znamená, není zřejmé. Nyní existují protichůdné interpretace o sterilních neutrinech. Pokud výsledky naznačují nesoulad se znalostmi základní jaderné nebo atomové fyziky, bylo by to také velmi zajímavé“.

Máme hotovo? Akorát že vůbec. Jistotu, že neutrina nakrátko přijala sterilní příchuť, poněkud narušují výsledky jiných experimentů, což ponechává otevřenou možnost, že modely používané k předpovídání transformací jsou na určité úrovni zavádějící. To samo o sobě není špatné. Opravy v základním rámci jaderné fyziky by mohly mít významné důsledky a potenciálně odhalit mezery ve standardním modelu. To by vedlo k vysvětlení některých nedávných výzkumů lehce nakopávající standardní model do zádele, jak jsem psal i na Vědátorovi.

Výzkum napoví

Pokud to však skutečně je známka sterilního neutrina, mohli bychom mít konečně důkaz o materiálu, který ve vesmíru existuje v ohromných množstvích, a přesto kromě gravitačního působení nijak neinteraguje se strukturou kosmu. Jestli nad některými z vás začala blikat žárovka s názvem „temná hmota“, tak bliká správně! Právě sterilní neutrina by mohla být složkou nebo rovnou celou sumou temné hmoty, gravitačně držící pohromadě galaxie a jejich shluky.

Mimochodem kosmická neutrina jsou také výborným nositelem informace o událostech v kosmu, jelikož jimi doslova „prochází skrz“, jen se je naučit chytat, čímž by se zařadily vedle klasického pozorování a detekce gravitačních vln jako zcela nový obor astronomie. Více si o tomto tématu můžete pročíst u JaRona, který jej zpracoval v rámci diplomky.

Další přesnější výzkumy teprve ukážou, zda vědátoři umí své atomy správně počítat, přišli jsme na doposud novou částici hmoty nebo rovnou odhalíme další z velkých zbývajících záhad vědy.

[JaRon Tomáštík, Tomáš Komárek]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Reklama