V CERN-e prvýkrát detegovali častice „duchov“

Neutrína sú elektricky neutrálne a extrémne ľahké elementárne častice – ešte donedávna sa vedci domnievali, že majú nulovú kľudovú hmotnosť. Zriedkavo interagujú s časticami hmoty a napríklad zemeguľou prelietavajú ako horúci nôž maslom. Preto je ťažké ich odhaliť, aj keď sú doslova všadeprítomné. Aj preto sú niekedy nazývané ako častice duchov, zvlášť keď má článok o nich pritiahnuť pozornosť čitateľov.

Neutrína sú elementárne častice zo skupiny leptónov s poločíselným spinom (tzv. fermiónov). Neutríno nemá elektrický náboj, nepôsobí naň elektromagnetická sila, ani silná interakcia, a s hmotou interaguje len prostredníctvom slabej interakcie a gravitácie.

Tieto elementárne častice vznikajú pri nukleárnych reakciách vo hviezdach (teda aj v našom Slnku), v supernovách, kvazaroch, pri rádioaktívnom rozpade, aj pri interakciách kozmického žiarenia s atómami plynov v zemskej atmosfére. Vedci predpokladali, že by ich mali vyrábať aj urýchľovače častíc, ako je veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v medzinárodnom výskumnom inštitúte CERN vo Švajčiarsku, ale bez správnych nástrojov boli jednoducho neviditeľné.

Práve na dôkaz ich vzniku umelého pôvodu slúži experiment FASER (ForwArd Search ExpeRiment), inštalovaný vo veľkom hadrónovom urýchľovači. Má detegovať neutrína vznikajúce pri zrážkach častíc. A teraz sa to konečne podarilo. Fyzici prvýkrát objavili častice „duchov“ vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Experiment FASER zachytil signály neutrín, vznikajúcich pri zrážkach častíc, čo môže pomôcť vedcom lepšie pochopiť kľúčové otázky fyziky.

Researchers at the ForwArd Search ExpeRiment (FASER) at CERN have detected neutrino candidates in the first such detection in a particle accelerator.https://t.co/4sWvVtmmg5

— The Jerusalem Post (@Jerusalem_Post) November 28, 2021

Keďže, ako sme už spomenuli, ide o mimoriadne subtilné a inertné častice, počas pilotnej prevádzky experimentu FASER, ktorý bol nainštalovaný v roku 2018, vedci zachytili len šesť interakcií neutrín. „Pred týmto projektom však neboli na urýchľovači častíc nikdy pozorované žiadne známky neutrín,“ hovorí Jonathan Feng, spoluautor štúdie.

Detektor FASER, ktorý sa nachádza na 480 m línii od bodu, kde dochádza k zrážkam častíc, funguje podobne ako stará dobrá chemická fotografia. Detektor je vyrobený z doštičiek z olova a volfrámu, oddelených vrstvami emulzie. Niektoré z neutrín zasiahnu jadrá atómov v ťažkých kovoch, čo vytvorí ďalšie častice, ktoré prúdia cez emulziu. Stopy, ktoré zanechávajú, je potom možné vidieť, keď sa vrstvy emulzie „vyvolajú“ ako fotografický film.

Po overení funkčnosti detektora teraz vedecký tím FASER pripravuje novú sériu experimentov s finálnym prístrojom, ktorý bude oveľa väčší a podstatne citlivejší. Táto „plná“ verzia s názvom FASERnu bude vážiť viac ako 1 090 kg, kým pilotný detektor mal hmotnosť len 29 kg. Zvýšená citlivosť nového detektora umožní nielen detegovať neutrína častejšie, ale aj rozlišovať medzi tromi rôznymi druhmi prilietavajúcich neutrín, ako aj antineutrín.

Sú známe tri typy neutrín: elektrónové neutríno ν_e, miónové neutríno ν_μ a tauónové neutríno ν_τ, pomenované podľa im zodpovedajúcich leptónom v štandardnom modeli. Každé z nich má zároveň aj svoje antineutríno.

Vedci očakávajú, že pri ďalšom spustení LHC v roku 2022 zaznamenajú 10 000 detekcií neutrín s najvyššou energiou, aké kedy boli vyrobené pomocou ľudských zdrojov. Výskum jedných z najzáhadnejších častíc jadrovej fyziky nám pomôže pochopiť, čo sa odohráva pri dramatických kozmických udalostiach, ako sú výbuch supernov a odhaliť aj ďalšie tajomstvá hmotného sveta – napriek tomu, že ide o častice „duchov“.

Výskum bol publikovaný v magazíne Physical Review D.