31. Chytáme neutrina
Neutrina jsou prazvláštní částice. Běžná látka je pro ně průhledná stejně jako sklo pro světlo. Bez problémů projdou nejen vaším tělem, ale i celou Zeměkoulí. Lidé se s těmito částicemi poprvé setkali krátce po objevu radioaktivity. Při beta rozpadu se neutron mění na proton a elektron. Od počátku bylo jasné, že energie vylétávajících částic nedá v součtu energii původního neutronu a že při rozpadu musí vznikat ještě nějaká malá neutrální částice. Její existenci předpověděl Wolfgang Pauli v roce 1930. Název neutrino jí dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932. Slovo neutrino znamená v italštině malý neutron. Detekovali ho Frederick Reines a Clyde Cowan až v roce 1956 v částicích vycházejících z reaktoru jaderné elektrárny Savannah River v Jižní Karolíně.
Neutrina umějí procházet běžnou látkou, protože vůbec neinteragují s atomárními obaly. Každým centimetrem čtverečním vaší pokožky prolétne za sekundu 60 miliard neutrin, která vznikla hluboko v nitru Slunce. Jen jedno jediné se ale za průměrný lidský život zachytí ve vašem těle. Ostatní prolétnou, aniž byste si jich povšimli. Jsme tak doslova ponořeni do oceánu neutrin, která procházejí vším, co se jim postaví do cesty. Za letu se neutrina proměňují, jako by si převlékala kabáty. Chvilku se neutrino tváří jako elektronové neutrino, pak jako mionové neutrino a nakonec jako tauonové neutrino. Neutrina se vyskytují ve třech podobách a za letu se proměňují jedno v druhé. Jsou jako duchové, kteří procházejí stěnou a ještě mění svou podobu! Odborně se této vlastnosti říká oscilace neutrin.
Neutrin prolétá všude kolem tak obrovské množství, že se tu a tam přece jen některé strefí do atomového jádra a občas s ním interaguje. A to je vzácný okamžik, při kterém můžeme neutrino odhalit a zkoumat jeho vlastnosti. Dnes je na celé Zemi několik desítek neutrinových detektorů. Zpravidla se umísťují hluboko pod povrch Země, kde jsou už ostatní částice odstíněné a neruší při pozorování.
První detektor neutrin postavil Raymond Davis v opuštěném zlatém dole Homestake v Jižní Dakotě. Fungoval od roku 1967 až do roku 1993.Šlo o vodorovně uloženou válcovou nádobu naplněnou 615 tunami tetrachloretylenu. To je látka, která se používá v čistírnách oděvů. Pokud neutrino interaguje s jádrem chlóru, změní ho na radioaktivní argon, jehož rozpad je snadno pozorovatelný. V detektoru byla pozorována sluneční neutrina vznikající při termojaderné syntéze v jádru Slunce. Davis se svým týmem viděl jen třetinu předpověděného množství neutrin. Jeho detektor byl citlivý jen na elektronová neutrina a ostatní dva druhy neviděl. Na podobném principu jsou založeny galiové detektory. Jde o nádobu s vodním roztokem solí galia. Pokud se neutrino strefí do galiového jádra, přemění ho na radioaktivní jádro germánia, které můžeme pozorovat. Nejznámějším galiovým detektorem byl Gallex umístěný v Itálii pod horou Gran Sasso. Fungoval od roku 1991 do roku 1997.
Dnešní detektory jsou většinou založené na jiném principu. Letící neutrino interaguje s protony v obyčejné nebo těžké vodě. Přitom z místa srážky vyletí elektron nebo mion s velkou energií. Tak velkou, že se ve vodním prostředí pohybuje rychleji než světlo. Samozřejmě, že tato rychlost je ale nižší než rychlost světla ve vakuu. Elektron letící v daném prostřední nadsvětelnou rychlostí září a za ním se táhne charakteristický kužel tzv. Čerenkovova záření. A právě toto záření nám pomůže odhalit původní neutrino. Čerenkovovy kužele za elektronem nebo mionem zachytávají detektory na stěnách nádoby, kterým říkáme fotonásobiče. K detektorům tohoto typu patří Sudburská neutrinová observatoř v Ontariu, ve které je sto tun velmi čisté těžké vody, nebo detektor Super-Kamiokande v Japonsku, ve kterém je 50 000 tun obyčejné vody. Oba detektory se podílely na objevu oscilací neutrin a dlouhodobě zjišťují vlastnosti neutrin z různých zdrojů.
Největší detektory neutrin na světě ale nehledejte hluboko pod zemí. Využívají jako prostředí k detekci přirozenou vodu v moři nebo v antarktickém ledu. K nám nejblíže je detektor Antares, který funguje od roku 2008. Nachází se dvacet pět kilometrů jižně od francouzského přístavu Touloun. Přibližně tisícovka fotonásobičů je v hloubce 2,5 km pod mořskou hladinou zavěšena na svislých strunách. Úplně největší detektor byl postaven v antarktickém ledu a nazývá se Icecube, což v překladu znamená ledová kostka. Vrty o průměru 50 cm zde sahají do hloubky 2 800 metrů. Ledovou kostku tvoří 86 strun, na kterých je zavěšeno 5 160 detektorů. Celkový objem zaujímaný detektory je 1 kilometr krychlový. Cena detektoru dosáhla sice 5 miliard korun, ale v přepočtu to dá pouhých 5 Kč na 1 metr krychlový využitého ledu.
V hlubinách moře a zmrzlého ledu čekají tyto obří detektory na posly ze vzdáleného vesmíru. Otevřelo se nám zcela nové, neutrinové okno do vesmíru. Můžeme se těšit na sledování explozí supernov, vzniku neutronových hvězd a černých děr, na pozorování jevů v aktivních jádrech galaxií a výzkum samotných neutrin – částic dodnes opředených mnoha tajemstvími.