Existence neutrina, původně předpovězeného Wolfgangem Paulim v roce 1930, byla experimentálně prokázána až po 25 letech. V roce 1956 provedli Frederic Reines a L.Cowan, dva fyzikové z Los Alamos, rozhodující experiment, který se týkal antineutrin, což není podstatné, protože jak neutrino tak jeho antičástice se chovají stejně. Cílem experimentu bylo vyvolat reakci

anti-ní[;e] + p[+] --> n[0] + e[+]

která bez počátečního antineutrina nemůže nastat a je tedy současně jeho důkazem. Reakce je velmi nepravděpodobná, protože neutrina jsou mimořádně necitlivá k jakýmkoliv částicím. Proto, aby nastala, je nutné velké množství antineutrin. Součin nepatrné pravděpodobnosti pohlcení antineutrina protonem s ohromným počtem antineutrin dá přijatelnou dobu, během níž bude pozorována alespoň jedna srážka. Reines a Cowan použili jako zdroj antineutrin výkonný uranový reaktor, ve kterém se jádra uranu štěpí na lehčí jádra, z nichž mnohá jsou beta radioaktivní, tedy vysílají elektrony a antineutrina.

Takto vytvořenému intenzivnímu zdroji antineutrin byl postaven do cesty blok hmoty, složený z 2m x 2m velkých čtvercových desek kapalných scintilátorů prokládaných vrstvami vody, která byla zvolena proto, že obsahuje velké množství protonů v atomech vodíku. Nastala-li reakce, projevilo se to několika jevy. Vzniklý pozitron rychle anihiloval s nějakým elektronem a vytvořil dva fotony:

e[+] + e[-] --> gama + gama

Tyto fotony vyvolají záblesky ve scintilátorech. Neutron se pohybuje podstatně pomaleji a může být zaznamenán, pokud je pohlcen některým atomovým jádrem. Zvláště vnímavé pro pohlcování neutronů jsou atomová jádra kadmia, proto byl do vody přidán chlorid kadmia. Pohlcením neutronu kadmium přejde ve svůj izotop, který se zbaví přebytečné energie vysláním jednoho nebo několika fotonů. Tyto fotony se rovněž projeví záblesky na scintilátoru. Pokus tedy probíhal tak, že při vyvolání reakce nárazem antineutrina na proton se ve scintilátoru objevil současný záblesk dvou fotonů z anihilace elektronu s pozitronem a po uplynutí několika mikrosekund nastal ve scintilátoru další záblesk, když neutron byl pohlcen jádrem atomu kadmia.

Experiment proběhl úspěšně. Dokázal existenci elektronového antineutrina. V tomto procesu fyzikové poprvé záměrně vyvolali a zaznamenali proces způsobený pouze slabou interakcí.

Vzhledem k symetrii mezi elektronovými a mionovými leptony se nabízí otázka, zda by podobnou reakci nemohlo vyvolat mionové antineutrino při záměně pozitronu kladným mionem:

anti-ní[;mí] + p[+] --> n[0] + mí[+]

Po technické stránce je situace složitější. Kladný mion je asi 200 krát těžší než pozitron, proto je k vyvolání příslušné reakce zapotřebí mnohem více energie primárního antineutrina, nejméně 100 MeV. K produkci takových antineutrin se použil protonový urychlovač, který srážkami protonů s protony vytvořil piony, z nichž záporně nabité piony svým rozpadem

pí[-] --> mí[-] + anti-ní[;mí]

vytvořily dostatečně energetická mionová antineutrina. Experiment byl proveden v roce 1962 pracovníky Columbijské univerzity na urychlovači v Brookhavenu.

Experimentálním důkazem existence neutrina antineutrin bylo prokázáno, že slabá interakce způsobuje nejen rozpad částic, ale také rozptyl a vznik nových částic. Až do 60.let 20.století převládal názor, že rozpad, rozptyl a produkce částic se působením slabé interakce uskutečňuje přímo, za účasti pouze pozorovaných částic, zatímco procesy způsobené elektromagnetickou interakcí a silnou interakcí se uskutečňuje zprostředkovaně výměnou intermediální částice (fotonu resp. mezonu). Dnes jsme přesvědčeni a je experimentálně prokázáno, že slabá interakce se uskutečňuje zprostředkovaně výměnou tzv. intermediálních bosonů W[+], W[-] a Z[0].

Mechanismus interakce nelze studovat přímo. Vyžádalo by si to zásah do subnukleárního procesu, což lze učinit jiným subnukleárním procesem, který ovšem původní proces změní. O mechanismu interakce můžeme soudit jen nepřímo, z jejích účinků.

Několikrát jsme se zmínili o tom, že vzájemné působení dvou částic spočívá ve vzájemném předání určitého množství energie, hybnosti, momentu hybnosti, elektrického náboje, spinu, izospinu, baryonového čísla, leptonových čísel, podivnosti a dalších veličin. Tyto veličiny jsou vázány na materiální objekty, jsou tedy jimi přenášeny. Srážku si lze představit dvěma způsoby. Prvním způsobem je představa, že srážka nastala v jediném prostoročasovém bodě. Druhou představou je, že částice se vzájemně vyhnuly a kvantové veličiny si předaly výměnou nějaké třetí částice.

První mechanismus se nazývá kontaktní interakcí, druhý se nazývá intermediální interakcí. Rozhodnout mezi oběma možnostmi v konkrétním případě není snadné a je třeba uvážit teoretické a experimentální důvody. Rozhodujícím argumentem je, zda se podaří zprostředkující částici zaregistrovat a prokázat, že existuje nejen jako nositel interakce, ale také jako volná částice.

Teoretické důvody jsou založeny na kvantové teorii. Tato teorie vysvětlila chování krystalů, molekul, atomů, atomového jádra a plazmy. Bylo proto přirozené aplikovat aparát kvantové teorie také na procesy probíhající mezi elementárními částicemi. Úspěch však byl jen částečný, především proto, že kvantová teorie byla poprvé aplikována na objekty, které se pohybují relativistickými rychlostmi. V teorii relativity je nutné přihlížet k tomu, že každé silové působení se šíří konečnou rychlostí a že je zapotřebí něčeho, co tuto interakci konečnou rychlostí přenáší. Tímto nositelem je pole, například pole elektromagnetické nebo pole jiných částic. Každé částici přísluší určité pole. Vznikla kvantová teorie polí, která dovoluje vznik a zánik objektů. Všechny ostatní jevy jsou vysvětleny pomocí těchto základních dvou.

Jako příklad vezměme rozptyl světla na nějakém předmětu. Světlo dopadá z určitého směru a po dopadu se rozptýlí a šíří se všemi směry. To je běžná představa, převzatá z rozptylu zvukových vln nebo vodních vln na překážce. Podle kvantové teorie pole však proces vypadá jinak: světelná vlna (fotony) dopadá na elektrony a další nabité částice v látce, které tyto fotony pohltí a vyšlou opět nejrůznějšími směry.

Jiným příkladem může být interakce dvou elektronů, které se k sobě přibližují určitými rychlostmi. Běžná představa je, že na sebe působí odpudivými silami, které se zvětšují tím více, čím více se k sobě elektrony přibližují. Odpudivými silami se změní původní směry pohybu částic a posléze dojde k jejich vzájemnému vzdalování. Podle představ kvantové teorie pole se toto silové působení uskuteční tak, že si elektrony vzájemně vymění jeden nebo více fotonů v obou směrech. Ty přenesou mezi nimi hybnost, energii a moment hybnosti.

Srážka dvou hadronů (částic citlivých na silnou interakci) probíhá obdobně s tím rozdílem, že zprostředkující částicí je některý mezon. Mechanismus elektromagnetické a silné interakce je tedy založen na výměně intermediálních částic. Přitom intermediální částice je v tzv. virtuálním stavu. Omezíme se pouze na toto konstatování, protože podstatu nelze pochopit bez znalosti kvantové teorie.

Podobnou úvahu lze aplikovat i na slabou interakci. Původní Fermiho teorie, vytvořená počátkem 30.let 20.století hned poté, co Pauli vyslovil svou hypotézu o existenci neutrin, žádnou zprostředkující částici nepředpokládala. Rozpad neutronu si Fermi představovala tak, že produkty rozpadu vznikají v témže bodě a okamžiku, v němž zaniká neutron, tedy že rozpad je kontaktní. Tento předpoklad měl závažné důsledky pro teorii tohoto jevu. Nebylo možno najít metody, jak upřesnit přibližné výpočty fyzikálních veličin. Korekce vycházeli ve tvaru matematicky nedefinovaných výrazů a nebyl nalezen způsob, jak tyto těžkosti obejít. Příčiny těchto obtíží jsou teoretické a značně komplikované, což nám opět nedovoluje zabývat se jimi podrobněji.

Souběžně s Fermiho kontaktní teorií slabé interakce existovala po mnoho let i teorie předpokládající existenci zprostředkujících částic, ale bez výrazných předností nebo nedostatků vůči kontaktní teorii. Teprve v letech 1967 - 1968 Steven Weinberg a Abdus Salam přesvědčivě ukázali přednosti zavedení zprostředkujících částic. Pokud se zavedou tři intermediální částice, jednu s kladným, jednu se záporným a jednu s nulovým elektrickým nábojem, lze jejich působení sladit tak, že příslušné matematicky nedefinované korekce ke každému procesu se kompenzují. Nejzajímavější však je, že k úplné kompenzaci je zapotřebí vzít v úvahu i příspěvky pocházející od výměny fotonů mezi částicemi, tedy od dějů vyvolaných elektromagnetickou interakcí. To svědčí o tom, že elektromagnetická a slabá interakce jsou vzájemně vázané. Tato úvaha se stala základem Weinbergovy-Salamovy jednotné teorie slabé a elektromagnetické interakce. Jako se v Maxwellově teorii podařilo sjednotit elektrické a magnetické jevy, tak ve fyzice leptonů jsou dnes vytvořeny podmínky pro vysvětlení rozpadových a rozptylových procesů způsobených slabou a elektromagnetickou interakcí pomocí jediného základního principu. Mezníkem v rozvoji této teorie byl rok 1971, kdy mladý holandský fyzik Gerard't Hooft vybudoval její matematické základy.

Tato teorie, pro níž se používá název teorie elektroslabé interakce, je dalším krokem ve sjednocování přírodních dějů a jevů.

S pojmem proud se setkáváme každodenně. Jestliže proudí elektrický náboj, mluvíme o elektrickém proudu. Pojem proudu je užitečný i v případě, když se povaha nebo vlastnosti proudící látky mění. Mluvíme o proudu vody, ikdyž se voda postupně znečišťuje. Je tedy vidět, že je dobré rozlišovat dva druhy proudů. Jeden druh je proud, při kterém se proudící látka nijak nemění. Druhým druhem je proud, u kterého proudící látka něčeho nabývá nebo pozbývá. Jestliže proudící látka získá nebo ztrácí elektrický náboj, nazývá se proud nabitý. Jestliže se její náboj nemění, hovoříme o neutrálním proudu.

V běžné řeči proud znamená jednosměrný pohyb velkého množství. Ve fyzice elementárních částic je užitečné zavést pojem proud i pro popis pohybu jediné částice. Například, pohybuje-li se proton, hovoříme o hadronovém proudu, zatímco pohyb elektronu popisujeme leptonovým proudem. Obecně ve fyzice částic proudem rozumíme matematický výraz, který popisuje přeměnu jedné částice v druhou nebo zrod páru. Jeho přesná matematická definice je složitá. Můžeme se pokusit tento pojem vyjádřit názorně. Jestliže například letí elektron a proton proti sobě, může se proton změnit v neutron a elektron v neutrino. Tím hadronový proud ztratí svůj kladný elektrický náboj a leptonový proud jej získá. Elektrické náboje obou proudících látek se změní, šlo tedy o nabité proudy.

Elektromagnetické procesy jsou popsány výhradně neutrálními proudy. Elektron při interakci svůj náboj neztrácí, protože zprostředkující částicí je foton, který náboj nepřenáší. U slabé interakce je tomu téměř naopak. Procesy se změnou náboje jsou známy dlouho, zatímco procesy beze změny náboje jsou známy od roku 1973 a jsou spjaty s Weinbergovou-Salamovou teorií. Experimentální důkaz existence neutrálních proudů ve slabé interakci je dokonce vážným argumentem v její prospěch. Podle jejích předpovědí mají nastávat i některé procesy, působené pouze neutrálními proudy, jako například:

neutrino + proton --> neutrino + proton

Technicky jsou tyto procesy velmi nesnadno zachytitelné. Podařilo se to v roce 1973 a to současně na dvou místech na světě, v CERN (Evropská organizace jaderného výzkumu) u Ženevy a ve Fermi National Accelerator Laboratory u Chicaga v USA. Tím bylo experimentálně potvrzeno, že u slabé interakce existují neutrální proudy.

Bosony zprostředkující slabou interakci jsou tři, kladně nabitý W[+], záporně nabitý W[-] a neutrální boson Z[0]. Všechny tři bosony mají spin roven 1. Nabité bosony vznikají při srážkách leptonů, při nichž se leptony vzájemně přeměňují: elektron v elektronové neutrino a mion v mionové neutrino. Tyto přechody podle teorie zprostředkují elektricky nabité bosony W[+] a W[-]. Tyto nabité bosony tedy přenášejí mezi leptony elektrický náboj.

Neutrální boson Z[0] zprostředkuje slabou interakci, ale nepůsobí změnu elektrického náboje. Vyměňují si jej dva elektrony při vzájemné srážce v důsledku slabé interakce, současně při výměně fotonu v důsledku elektromagnetické interakce.

Leptony jsme rozdělili do dvou skupin. Do jedné skupiny patřil elektron, elektronové neutrino a jejich antičástice. Do druhé skupiny patřil mion, mionové neutrino a jejich antičástice. Dnes je známa ještě třetí skupina leptonů, záporně nabitý tauon a tauonové neutrino s příslušnou dvojicí antičástic. Nabitý tauon byl pozorován při anihilaci elektronu s pozitronem:

e[-] + e[+] --> tau[-] + anti-tau[-]

Klidová hmotnost tauonu je značná, asi 1,78 GeV, tedy téměř dvojnásobek klidové hmotnosti protonu, třináctinásobek klidové hmotnosti pionu a třiapůltisícenásobek hmotnosti elektronu. Tauon se rozpadá jednak na mion, neutrino a antineutrion, jednak na elektron, neutrino a antineutrino.

Klidová hmotnost neutrin je malá, ale nenulová. Zatím jsou známy jen horní meze klidových hmotností. U elektronového neutrina je horní mez 40 eV, u mionového 500 KeV a u tauonového se odhaduje asi na 200 MeV.

Zatím není známo, proč existují dublety mionových a tauonových leptonů a zda existují ještě další reprízy.

Klíčem k těmto záhadám by snad mohla být skutečnost, že podobné reprízy základní skupiny částic se projevují i u kvarků, které jsou základními stavebními částicemi všech hadronů. Podle posledních výzkumů se zdá, že kdyby mionové a tauonové leptony neexistovaly, náš dnešní svět by se nezměnil. Vyšší reprízy leptonů a kvarků však hrály fundamentální roli v počátečních fázích vývoje vesmíru. Proto mnoho závěrů o neutrinech je odvozeno z kosmologických úvah.

                                                                                                 - pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci