Problém slunečních neutrin

Neutrino

Neutrino bylo předpovězeno Wolfgangem Paulim v roce 1930 a pojmenováno o 3 roky později Enricem Fermim. Experimentálně bylo potvrzeno ve 40. letech minulého století Frederickem Reinesem. Jak je patrno z názvu, jedná se o nepatrnou elektricky neutrální částici s účinným průřezem 10^-46 cm². Právě „velikost“ neutrino činní skoro nepolapitelným, tedy hladce pronikajícím veškerou hmotou.

Davisův experiment

První pokus, o zachycení „nezachytitelného“, začal na konci 50. let minulého století pod vedením Raymonda Davise. Davis vycházel z teoretické práce Bruna Pontecorva, který pro zachycení neutrin v roce 1946 navrhl jádro chlóru a chemickou reakci

Chlór se může po srážce s neutrinem přeměnit na radioaktivní argon. Jako zdroj chlóru použil Davis 615 tun tetrachloretylénu Aby nebyl experiment znehodnocen kosmickým zářením, byl umístěn 1,5 km pod povrch Země, do již nepoužívaného zlatého dolu v USA.


Výsledek experimentu byl šokující, Davis měl se svou aparaturou zachytit dvě sluneční neutrina za tři dny, zachytil však pouze jedno za 4,5 dne. V průběhu let se dokonce výsledky zhoršovaly, za 25 let trvání experimentu bylo zachyceno pouze 28 % z předpovídaného počtu neutrin.

Deficit zachycených neutrin byl pojmenován „neutrinový skandál“ a velmi zamotal hlavu všem teoretickým fyzikům a slunečním astronomům. Zjištěné výsledky mohly naznačovat, že teplota v nitru Slunce je nižší než se předpokládalo, případně, že tyto reakce již neprobíhají s takovou silou a Slunce ztrácí svůj zdroj energie.

Kamiokande

O výsledcích Davise se v 80. letech minulého století dozvěděl japonský fyzik Masatoši Košiba. Ten se toho času pokoušel pomocí detektoru Kamiokande, umístěného 1,7 km pod zemí v opuštěném zinkovém dole Takajama v Japonsku, zaznamenat rozpad protonu na pion a pozitron pomocí detekce Čerenkova záření a určit střední dobu života protonu. Teoretická hodnota střední doby života protonu je 10³² let, aby byla alespoň minimální pravděpodobnost, že rozpad nastane, bylo zapotřebí obrovské množství protonů. Košiba k realizaci použil 2 140 tun chemicky čisté vody a několik tisíc velice citlivých fotonásobičů, ale přes veškerou snahu svého týmu nezaznamenal ani jeden rozpad protonu. Namísto toho přístroje zaznamenaly sluneční neutrina s vysokou energií. V pokračování pokusu Kamiokande II se již Košiba věnoval pouze slunečním neutrinům. Podařilo se mu zaregistrovat 46 % z celkového teoreticky určeného počtu neutrin.

GALLEX a SAGE

V 90. letech minulého století přibyly další neutrinové lapače, nejdůležitějšími byly SAGE v Rusku a GALLEX v Itálii.


Oba experimenty využívaly srážky neutrina s galiem , při které vzniká radioaktivní germanium a pozitron (). Experiment SAGE odhalil 53 % a GALLEX 73 % z předpokládaného počtu neutrin.

SuperKamiokande

Klíčovým experimentem se stal v roce 1996 třetí z experimentů Kamiokande, nazvaný SuperKamiokande, využívající již 50 000 tun chemicky čisté vody a více než 10 000 fotonásobičů.


Fotonásobiče zaznamenávaly denně asi milion záblesků Čerenkova záření, z čeho přibližně 30 záblesků způsobila sluneční neutrina a 10 záblesků neutrina vzniklá v zemské atmosféře. Na základě zjištěných výsledků vědci v červnu 1998 publikovali dva nové poznatky:

1. Neutrina mají nenulovou hmotnost – tedy rychlost neutrin nemůže dosáhnout rychlosti světla

2. Neutrina oscilují – během letu se přeměňují na jiné typy neutrin

Tyto zjištění potvrdil experiment SNO (Sudbury Neutrino Observatory) v Kanadě v roce 2002. Oscilacemi neutrin byl vysvětlen nedostatečný počet zachytávaných neutrin v předešlých experimentech a obhájena teorie termonukleární fúze, jako zdroje záření Slunce.