Do Antarktidy narazila částice antihmoty a spustila reakci, na kterou vědci čekali šedesát let

K detekci došlo už v roce 2016, teprve tento týden byl ale výsledek zveřejněn v odborném časopise Nature. Elektronové antineutrino řítící se téměř rychlostí světla narazilo do elektronu v ledu antarktického detektoru neutrin IceCube. Vyvolalo přitom reakci, při níž vznikl takzvaný W-boson, což je jedna z částic zodpovědná za slabou jadernou sílu – stojí například za radioaktivním rozpadem.

Nám známý svět se skládá z částic, které mají jasně dané místo ve vědci vytvořené teorii standardního modelu. Patří sem takzvané kvarky, které jsou základními stavebními kameny, z nichž se skládají protony a neutrony. Dalšími členy rodiny jsou leptony, kam patří elektrony nebo právě neutrina. Platí, že leptony i kvarky mají své antipříbuzné.

Například k elektronu tak existuje antielektron, kterému se říká pozitron. Liší se opačným elektrickým nábojem. A k elektronovému neutrinu existuje elektronové antineutrino. Neutrina a antineutrina nemají náboj, ale liší se tím, že jsou levotočivá a pravotočivá. Představit si to lze na výstřelu dělové koule. Neutrina se chovají, jako kdyby byla  vypálena z pomyslných děl s levotočivým drážkováním a antineutrina s pravotočivým.

Kromě kvarků a leptonů existují ještě takzvané polní částice, což jsou částice, které zprostředkovávají působení síly. Foton je například polní částicí elektromagnetické síly a W-boson jednou z částic slabé jaderné síly. Na konci článku je přehledná tabulka této částicové zoo. Částice spolu vstupují do vzájemných interakcí a vytváří náš svět, který vidíme, když ráno otevřeme oči.

V případě detektoru IceCube hrají hlavní roli neutrina, která jsou častými produkty různých interakcí. Například při rozpadu neutronu vzniká proton, elektron a elektronové antineutrino. Sama neutrina i antineutrina ale vstupují do reakcí jen velmi neochotně. Interagují jen prostřednictvím slabé jaderné síly. Jsou jako duchové, kteří si to šinou vesmírem vysokými rychlostmi a nestarají se o to, co je kolem nich. Každým člověkem projdou každou sekundu miliardy neutrin jen z našeho Slunce. Díky jejich netečnosti nám ale nijak neubližují.

Neutrin prochází Zemí tak ohromné množství, že jednou za čas se stane, že některé interaguje a podaří se ho zachytit v detektoru. Detektorů je na světě řada, IceCube je ale unikátní tím, že srdce detektoru tvoří moduly umístěné dva kilometry pod povrchem ledu. Fungovat začal v roce 2010 a hned o tři roky později hlásil detekci 26 neutrin pocházejících z míst mimo sluneční soustavu. Jde o kosmická neutrina s vysokými energiemi.

IceCube je postavený tak, aby byl schopný detekovat neutrina i antineutrina s vysokou energií. A právě aktuálně zachycené antineutrino bylo co do energie pořádné monstrum. Přiletělo s energií 6,3 petaelektronvoltu. Představit si to lze dle serveru Livescience třeba na komárovi. Když letí komár rychlostí 1,6 kilometru za hodinu, jeho energie je přibližně jeden tetraelektronvolt. Pokud by měl mít energii jako zmiňované antineutrino, musel by být komár urychlen na rychlost 8,2 machu, tedy více než osminásobek rychlosti zvuku, což je 10 125 kilometrů za hodinu.

Připravit takovouto částici v laboratorních podmínkách a nechat ji narazit do elektronu vědci nedokážou, známý hadronový urychlovač v CERN by musel být 450krát výkonnější. Proto nobelista a dnes osmaosmdesátiletý fyzik Sheldon Lee Glashow neočekával, že by se jím navržená teoretická reakce antineutrina a elektronu za vzniku W-bosonu mohla v blízké budoucnosti uskutečnit experimentálně. Naštěstí mu ale pomohla příroda tím, že k Zemi vyslala zmiňované antineutrino. Pravděpodobně jej vyslala černá díra.

Aktuální úspěch v pozorování je dalším dílkem do snahy objasnit, jak vesmír funguje. Samotná neutrina mají ale velký potenciál najít i praktického využití. V případě kosmologie jsou neutrina dokonalým prostředkem pro získávání informací z hlubin vesmíru. Je to dáno již jejich zmiňovanou netečností. Neovlivní je magnetické pole, skoro s ničím cestou vesmírem nereagují. Aktuálně jsou vědci schopni pozorovat hlubiny kosmu pomocí elektromagnetického záření, kam patří třeba světlo pocházející ze Slunce nebo rádiové vlny z rotujících neutronových hvězd. V roce 2016 došlo k průlomu, neboť se očima astronomů staly i gravitační vlny. Ty jsou specifické v tom, že jde o vlnění celého časoprostoru, nemůže je tedy zastavit hmota ve vesmíru. Díky nim se podařilo poprvé přímo pozorovat černé díry nebo kolizi neutronových hvězd.

A neutrina představují třetí možnost. V roce 2017 se právě na IceCubu podařilo zachytit a zpětně vystopovat původ kosmického neutrina. Stejně jako by měly být jednou teoreticky zachytitelné gravitační vlny z období velkého třesku, měla by existovat i reliktní neutrina, tedy neutrina, která se na svou pouť prostorem vydala jednu sekundu po začátku vesmíru. Pomocí elektromagnetického záření lze dohlédnout pouze do doby, kdy bylo vesmíru 300 tisíc let. Dívat se na noční nebe znamená dívat se do minulosti.

Neutrina ale na rozdíl od gravitačních vln mohou být v budoucnosti i praktickým komunikačním prostředkem. První pokusy s komunikací skrz například horský masiv už probíhají. Neutrina a antineutrina také mohou odpovědět na jednu z nejpalčivějších otázek: proč ve vesmíru převládla hmota nad antihmotou.

Standardní model částicové fyziky rozšířený o antičástice.

Foto: Wikipedia/Cush