Záhada 17 keV neutrina vyřešena

Ve vědě se občas stane, že výsledek měření je v naprostém rozporu s teoretickou předpovědí. Taková situace je neuspokojivá jen zdánlivě; ve skutečnosti stimuluje jak vývoj experimentálních metod, tak i rozvoj teorie.

Připomeňme si například problém platnosti zákona záchování energie v radioaktivním rozpadu ß. Zpočátku se fyzikové domnívali, že při tomto rozpadu vyletují z mateřského atomového jádra pouze částice ß, které mají všechny stejnou energii. Očekávali tedy, že jejich energetické spektrum bude čárové. Již první spektrum záření ß radionuklidu ²¹⁰Bi, které změřil r. 1914 pozdější objevitel neutronů J. Chadwick, však bylo spojité!

Situaci se pokusil vyřešit r. 1930 tehdy třicetiletý budoucí nositel Nobelovy ceny Wolfgang Pauli odvážným předpokladem, že v jaderném rozpadu ß je kromě elektronu emitována ještě další elementární částice - neutrino.

Z toho, že experimentátoři neutrino nepozorovali již dříve, Pauli usoudil, že tato částice bude s prostředím interagovat ještě méně než záření gama. Předpokládal proto, že detekce neutrin bude svízelná. O svém návrhu na řešení záhady rozpadu ß napsal W. Pauli 4. prosince 1930 skromný a vtipný dopis účastníkům semináře o radioaktivitě v německém Tübingenu. Údajně prohlásil:

„Dnes jsem udělal něco, co by teoretik neměl v životě nikdy udělat. Pokusil jsem se nevysvětlitelné objasnit nepozorovatelným.“

První teorii rozpadu ß zahrnující Pauliho neutrino vypracoval již r. 1934 další budoucí nositel Nobelovy ceny E. Fermi. Souhlas jeho teorie s experimentem byl považován za nepřímý důkaz existence neutrina. Trvalo však čtvrt století, než se podařilo dokázat, že neutrina skutečně existují.

Zasloužili se o to američtí fyzikové F. Reines a C. L. Cowan, kteří r. 1956 jednoznačně pozorovali jadernou reakci, jež by bez neutrin probíhat nemohla. Šlo o obtížný experiment využívající jaderný reaktor a detektor částic s mimořádně vysokou účinností.

Potvrdilo se, že pravděpodobnost interakce neutrin s prostředím je zhruba o 20 řádů menší než v reakcích s obvyklými částicemi. Zatímco k úplnému pohlcení částic ß stačí absorbátor o tloušťce několika milimetrů, projde naprostá většina neutrin napříč zeměkoulí bez jakékoliv interakce.

Jednou ze základních vlastností každé elementární částice je její klidová hmotnost, zpravidla změřená s vysokou přesností. O stanovení klidové hmotnosti neutrina m_ν však usiluje již třetí generace fyziků.

Přesto zatím známe jen její horní hranici, která se zlepšuje se zdokonalováním experimentálních metod. Měření tvaru spekter ß přitom představuje nejcitlivější přímou metodu. Obtížnost úlohy demonstrují dlouhé časové intervaly nezbytné k výraznému zlepšení výsledku: r. 1949 bylo m_ν menší než 1000 eV/c², r. 1972 menší než 60 eV/c². (Hmotnost zde vyjadřujeme způsobem obvyklým v jaderné a subjaderné fyzice, s využitím Einsteinova vztahu E = mc².)

Ani teoretičtí fyzikové zatím nedokázali klidovou hmotnost neutrina vypočítat. Vybudovali vynikající model sjednocující slabé a elektromagnetické interakce, který připouští nulovou hodnotu m_ν, ale není znám žádný obecný fyzikální princip, jenž by to vyžadoval.

V tomto článku hovoříme o elektronových neutrinech a pro jednoduchost nerozlišujeme mezi neutriny a antineutriny, jejichž klidová hmotnost má být stejná. Fyzikové objevili ještě další neutrina, ale o jejich klidové hmotnosti vědí ještě méně.

Mohutnými zdroji neutrin jsou nejen jaderné reaktory a urychlovače nabitých částic, ale i Slunce. Byla dokonce registrována neutrina vzniklá při výbuchu supernovy SN1987A. Měřením neutrin z těchto zdrojů se podařilo získat cenné informace pro fyziku částic i astrofyziku, ale hodnota klidové hmotnosti m_ν stanovena nebyla.

V roce 1985 publikoval J. J. Simpson z kanadského Quelphu vzrušující zprávu¹⁾, že ve spektru ß nejtěžšího izotopu ³H (tritia) nalezl odchylku svědčící o existenci těžkého neutrina s klidovou hmotností 17 keV/c² (viz obrázek).

Experimentátoři na tuto zprávu reagovali sérií kontrolních měření a teoretici intenzivně zkoumali, jaké důsledky by 17 keV neutrino mělo v různých oblastech fyziky.

V roce 1991 oznámili A. Hime a n. A. Jelley ²⁾ z univerzity v anglickém Oxfordu, že ve spektru ß izotopu ³⁵S nalezli odchylku svědčící o 0,84% příměsi 17 keV neutrina. V témže roce získali američtí fyzikové pod vedením E. B. Normana podobný výsledek ze spektra ß izotopu ¹⁴C. To bylo důležité, protože těžké neutrino (pokud skutečně v přírodě existuje) by se mělo projevit ve všech rozpadech ß, v nichž je to energeticky možné.

Tyto výsledky iniciovaly další měření. Vznikla však podivná situace: kladné výsledky byly získány pouze na spektrometrech jednoho typu. Nový fyzikální jev však lze považovat za prokázaný jen tehdy, je-li jeho měření reprodukovatelné a výsledek nezávisí na typu přístroje či místě laboratoře.

Tento neuspokojivý stav se začal vyjasňovat až r. 1993, kdy byly publikovány jak nové výsledky experimentů, tak i důkladnější analýza oxfordského měření radionuklidu ³⁵S. Ukázalo se, že efekt připsaný v tomto experimentu 17 keV neutrinu byl způsoben z velké části rozptylem elektronů v různých místech spektrometru. Při rozptylu totiž dochází k energetickým ztrátám elektronů a tím ke zkreslení tvaru spektra ß.

Američtí a němečtí fyzikové provedli nedávno kontrolní experimenty s přístroji nového typu, v nichž k nežádoucímu rozptylu elektronů nedochází. Jejich spektra ß nevykazují žádné stopy po 17 keV neutrinu.

E. B. Norman se spolupracovníky pokračovali v měřeních spektra ß izotopu ¹⁴C a stále v něm nacházeli odchylku odpovídající asi 1% příměsi 17 keV neutrina. Provedli proto ještě nezávislé měření spektra vnitřního brzdného záření ⁵⁵Fe, tedy fotonového záření, které v použitých detektorech vyvolává jiné procesy než záření ß.

Žádné stopy po 17 keV neutrinu nenašli. Usoudili proto, že odchylka, kterou ve spektru ß izotopu ¹⁴C pozorují, není způsobena 17 keV neutrinem. Při dalším zdokonalování jejich spektrometru ß se zcela nedávno ukázalo, že šlo o elektronickou závadu.

Nejdůležitější experimenty svědčící o 1% příměsi 17 keV neutrina v rozpadu ß tak byly vysvětleny jinými, prozaičtějšími příčinami.

Provedli jej v roce 1993 japonští fyzikové³⁾ s magnetickým spektrometrem, v jehož ohniskové rovině umístili 30 nezávislých detektorů. Získali spektrum ß radionuklidu ⁶³Ni s obrovskou statistikou. Při jeho analýze nenašli žádné údaje ve prospěch 17 keV neutrina (viz obrázek). Pro horní hranici možné příměsi této hypotetické částice v rozpadu ß určili dosud nejnižší hodnotu 0,073 %. Tento výsledek je v naprostém rozporu s dřívějšími experimenty uvádějícími příměs 17 keV neutrina blízkou 1 %.

Titíž fyzikové navíc hledali ve spektru ß izotopu ⁶³Ni i jiná neutrina s klidovou hmotností mezi 10,5 až 25 keV/c², ale žádná nenašli. Pokud taková těžká neutrina v přírodě existují, je podle zmíněného experimentu jejich příměs k obvyklým lehkým neutrinům menší než 0,15 %.

V současné době nemáme žádný nesporný důkaz o existenci neutrin s nenulovou klidovou hmotností. Platí to nejen pro Simpsonovo 17 keV neutrino, ale i lehké neutrino s hmotností menší než 7,2 eV/c². Na základě měření tvaru spektra ß tritia udávali moskevští fyzikové v letech 1980 - 1987, že lehké neutrino má hmotnost nenulovou, a to mezi 14 a 46 eV/c². Žádný z experimentů ostatních laboratoří však tento výsledek nepotvrdil.

Nemůžeme ovšem tvrdit, že hmotná neutrina v přírodě neexistují jen proto, že jsme je svými přístroji dosud nezaznamenali. Fyzikové, jejichž závěry o hmotných neutrinech se nepotvrdily, nejsou zavrženi. Jejich snaha a odvaha stimulovaly rychlejší rozvoj experimentálních metod. Je třeba mít na paměti, že většinu fyzikálních procesů známe jen s určitou přesností a při jejich popisu se nevyhneme mnoha zjednodušením. Při hledání nepatrné příměsi těžkých neutrin ve spektrech záření ß vzniká potřeba prozkoumat řadu efektů, které jaderní fyzikové dříve zanedbávali.

Příkladem dosud nevysvětlitených jevů ve spektrech ß je odchylka experimentu od teorie při energii elektronů nižší než 1,5 keV. Zjistil ji zcela nedávno americký fyzik W. Stoeffl se spolupracovníky při měření spektra ß plynného tritia magnetickým spektrometrem, tedfy v podmínkách blízkých k ideálním. Zatím není jasné, jaký jaderný, atomový či molekulární efekt by takovou odchylku mohl způsobit.

V Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži je elektrostatický spektrometr, který měří s vysokým rozlišením i elektrony emitované z radioaktivních vzorků s nepatrnou kinetickou energií (viz obrázek). Naše zkušenosti při výzkumu jaderně-atomových jevů se uplatní i při pátrání po hmotných neturinech na vyšší úrovni. Naše výpočty elektronových vlnových funkcí i energetických ztrát elektronů se již setkaly s ohlasem v zahraničních laboratořích. Ve spolupráci s nimi se i čeští fyzikové mohou podílet na řešení jedně ze základních úloh současné fyziky ⁴⁾.