Vědecký tým neutrinové observatoře SNO (the Sudbury Neutrino Observatory) podal přímý důkaz oscilací neutrin mezi svými typy a tím definitivně vyřešil problém slunečních neutrin. Získané výsledky potvrzují astrofyzikální teorii vzniku energie v jádrech hvězd, konkrétně v jádru našeho Slunce.

Sluneční záření od roentgenového spektra přes ultrafialové až po viditelné a infračervené spektrum, které dopadá na svrchní vrstvy atmosféry, vzniká v uvnitř jádra Slunce jadernou fúzí. Fotony z místa svého vzniku procházejí milióny srážek s okolními částicemi, než po stovkách až tisících let proniknou k povrchu Slunce. Sluneční neutrina, která při těchto srážkách vznikají, procházejí hmotou prakticky bez srážek a jsou tak jedinečným důkazem termonukleárních reakcí uvnitř Slunce. Měření intenzity neutrin, která započala v 60. letech 20. století, ale představovala velkou záhadu, protože počet zachycených neutrin byl výrazně menší, než předpovídal standardní model Slunce. V podezření byla jak měření tak samotný standardní model. Později se však zjistilo, že elektronová neutrina, která vznikají v jádře Slunce, při svém letu k Zemi mohou oscilovat mezi svými typy, tedy mohou se přeměnit na mionová nebo tauonová neutrina. Pozemní detektory jsou ale schopny zachytit pouze elektronová neutrina.

Neutrinová observatoř SNO ověřila platnost jedné z jaderných reakcí, které probíhají v jádru Slunce: rozpad jádra atomu bóru-8 na jádro atomu berylia-8, positron a elektronové neutrino. Zařízení observatoře SNO obsahuje 1000 tun těžké vody (v ceně 300 miliónů kanadských dolarů), která je vedena akrylovými trubicemi obklopenými ohromným počtem fototrubic. Celé zařízení je umístěno 2 kilometry pod zemským povrchem v hlubinném dole v Ontariu, kde je dobře stíněno před vlivem interakcí částic na pozadí. V roce 2001 výzkumníci observatoře SNO oznámili své první výsledky na základě reakcí, kdy sluneční neutrino prošlo detektorem a tzv. elastickým rozptylem uvolnilo elektron z molekuly vody nebo srážkou s jádrem deuteria vytvořilo elektron a dva protony (tzv. nabitý proud, protože tato reakce je realizována prostřednictvím elektricky nabitého bosonu W).

Výsledky observatoře SNO s podporou výsledků elastických srážek v experimentech japonské observatoře Super Kamiokande potvrzují oscilace neutrin a řešení problému slunečních neutrin. Definitivní výsledky výzkumníci observatoře SNO publikovali na společném zasedání Americké fyzikální společnosti a Americké astronomické společnosti v Albuquerque koncem dubna 2002. Tyto nové výsledky potvrzují výsledky z roku 2001, při nichž neutrino také měnilo svůj typ. Deuteron se ale v této reakci rozpadal na proton a neutron. Výsledky měření experimentů s těžkou vodou D₂O proto byly problematické, protože každý deuteron obsahuje slabě vázaný neutron. Tato reakce se označuje jako neutrální proud, protože je realizována elektricky neutrálním bosonem Z. Vzhledem k rozptylu neutrin je tato reakce shodná s reakcí s nabitým proudem.

Měření toku slunečních neutrin registruje všechna neutrina, která přicházejí ze slunečního jádra. Chybějící elektronová neutrina se během letu k Zemi přeměnila na mionová nebo tauonová neutrina. Současné výsledky jsou statisticky spolehlivější, než měření provedená v roce 2001. Tok elektronových neutrin (měřený v jednotkách jednoho miliónu na centimetr čtverečný za sekundu) je roven 1,7, zatímco při započtení všech typů neutrin je 3,4. Pokud započteme neutrina z jiných reakcí, je celkový tok řádově miliarda neutrin na centimetr čtverečný za sekundu.

Oscilace neutrin mezi svými typy také objasňuje asymetrii toku slunečních neutrin mezi dnem a nocí. Pokud je těleso planety Země mezi Sluncem a detektorem (noční měření), proces oscilace neutrin, který závisí na hustotě hmoty, jíž neutrina procházejí, se urychluje. Tato měření by mohla pomoci při studiu hmotnosti neutrin. Experimenty, podobné těm v observatoři SNO, neumožňují měřit hmotnost, ale rozdíly druhých mocnin hmotností jednotlivých typů neutrin. Přestože je hmotnost mionového neutrina velmi malá (je lehčí než elektron, který byl do té doby považován za nejlehčí částici), mohou mionová neutrina sehrávat důležitou roli v kosmologii. Pomocí mionových neutrin by bylo možno vysvětlit současné rozložení galaxií ve velkoobjemové struktuře vesmíru. Při erupcích supernov neutrina mohou odnášet až 99 procent veškeré energie hvězdy.

Výsledky práce týmu observatoře SNO byly publikovány ve Physical Review Letters a články jsou dostupné jako [X1], [X2]. Další informace lze získat na [X3].

Detektory temné hmoty slouží pro hledání významného typu hmoty ve vesmíru, která interaguje s normální hmotou pouze gravitačně nebo slabou jadernou interakcí. Podobně jako detektory neutrin, také detektory temné hmoty pracují s tokem částic, které přicházejí z vesmíru, a detekují srážky těchto částic s atomy v detektoru. Objekty z temné hmoty jsou pozorovány pouze nepřímo. Oblaka slabě interagujících těžkých částic (WIMP, weakly interacting massive particles) v galaktickém halu vytvářejí gravitační čočky při pozorování záření hvězd na jejich pozadí. Avšak důležitým důkazem by bylo přímé pozorování těchto částic. Jeden z detektorů obsahuje kapalný a plynný xenon. Přicházející částice WIMP interagují s atomy xenonu (hmotnost jádra atomu xenonu, která je 113 GeV, je velmi blízká očekávané hmotnosti částic WIMP) za vzniku scintilačních záblesků. Pro kalibraci celého zařízení se používají zdroje neutronů. Fyzikové z Imperial College v Londýně použili stolní plasmový zdroj neutronů, v němž neutrony vznikají jadernou fúzí jader deuteria při srážkách iontů deuteria o vysoké energii s pevnými terčíky deuteria. Při těchto srážkách vznikají jádra atomů hélia a neutrony o energii 2,45 MeV. Kromě kalibračních měření lze tento stolní zdroj neutronů, který v jednom pulsu produkuje asi 20 miliónů neutronů, použít také pro detekci výbušnin obsahujících dusík (jako je např. TNT) nebo při jaderných přeměnách jaderného odpadu. (Beg et al., [M1] Applied Physics Letters, 22. dubna 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 586. April 24, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

30. a 40. léta 20. století byla zlatým věkem kosmického záření. Výzkumníci objevili positrony, piony a miony nikoliv v urychlovačích částic, ale na fotografických emulzích, na něž působilo kosmické záření. Také dnes probíhá zlatý věk kosmického záření. Na různých místech Země a na oběžné dráze jsou umístěny desítky detektorů kosmického záření až do energií 10²⁰ eV. Jak ale tyto ohromné urychlovače ve vesmíru fungují? Přicházejí kosmické paprsky s nejvyšší energií ze zdrojů v naší Galaxii nebo jsou extragalaktického původu? Lze určit nějaké konkrétní zdroje nebo kosmické paprsky vznikají v rozsáhlých oblastech? Proč je energie kosmických paprsků tak extrémně vysoká? Na společném zasedání Americké fyzikální společnosti a Americké astronomické společnosti v Albuquerque koncem dubna 2002 se diskutovalo také o těchto otázkách.

Masahiro Teshima z Univerzity v Tokiu hovořil o studiu 59 záznamů částic o energiích vyšších než 4.10¹⁹ eV, které byly zachyceny polem detektorů AGASA (Akeno Giant Air Shower Array) v Japonsku. Teshima poukázal na sice slabé ale nepochybné seskupení těchto záznamů do pěti dubletů a dokonce jednoho tripletu. Dublety a triplety záznamů naznačují, že pocházejí ze stejného místa ve vesmíru. Dosud se však na základě souřadnic nepodařilo tato místa ztotožnit se žádnými kosmickými objekty. Teshima tvrdí, že počet dubletů nebo tripletů by mohl být vyšší, pokud by se podařilo sestavit správný model magnetického pole naší Galaxie. Proudy kosmických částic průletem Galaxií mohou vlivem magnetických polí nepatrně měnit svůj směr a proto jejich zdroj nelze ztotožnit s určitým kosmických objektem.

Fyzikové jsou ve svých laboratořích schopni stlačit vodík na tlak miliónkrát vyšší než je na zemském povrchu. Chování takto stlačeného vodíku nám může pomoci porozumět fyzikálním podmínkám v nitru planety Jupiter, poskytnout informace pro konstrukci nových zdrojů energie z jaderné fúze nebo informace o zastarávání jaderných zbraní, aniž by bylo nutné provádět jejich testování.

Na společném zasedání Americké fyzikální společnosti a Americké astronomické společnosti v Albuquerque koncem dubna 2002 dvě americké národní laboratoře oznámili zdánlivě rozporné výsledky o chování vodíku při extrémně vysokém tlaku.

Výzkumníci národní laboratoře Sandia použili zařízení Z, které silným elektrickým proudem generuje velmi intenzivní magnetická pole. V tomto zařízení urychlovali kovovou destičku až na rychlost 28 km/s (jak autoři poznamenávají, jde o daleko nejrychlejší zbraň na světě). Urychlenou kovovou destičku zasáhli ochlazené molekuly atomů deuteria. Její dopad vyvolal mohutnou rázovou vlnu a stlačení molekul deuteria na tlak několika megaPascalů. Místo obyčejného vodíku se používá deuterium, které v jádru atomu obsahuje kromě protonu ještě neutron. Deuterium lze stlačit na vyšší tlaky než vodík.

Výzkumníci z Národní laboratoře Lawrence Livermorea použili laser Nova s vysokým výkonem, jímž ostřelovali kapalné deuterium a rázovou vlnou vyvolávali jeho prudké stlačení.

Výzkumníci z Národní laboratoře Lawrence Livermorea (Robert Cauble, [M1]) zjistili, že molekuly deuteria lze více stlačit, než zjistili výzkumníci z laboratoře Sandia. Při tlaku miliónu atmosfér výzkumníci z laboratoře Lawrence Livermorea zjistili kompresní faktor 6, zatímco výzkumníci z laboratoře Sandia zjistili faktor 4. Pokud jsou výsledky z laboratoře Lawrence Livermorea správné, pak v jádru planety Jupiter je více kovového vodíku, než se původně předpokládalo a samovolně se udržující jaderná fúze jader deuteria v palivových článcích může probíhat snadněji, protože deuterium je stlačitelnější. Pokud jsou správné výsledky z laboratoře Sandia, pak platí dosavadní předpoklady. Cauble tvrdí, že mohou být správné výsledky obou laboratoří, protože každá laboratoř prováděla kompresi deuteria v nepatrně odlišném časovém intervalu. Konečně Cauble a Knudson říkají, že výsledky obou laboratoří mohou být chybné, protože výzkumníci použili relativně nové technologie. Určité světlo do problému by mohly vnést počítačové simulace chování vodíku při vysokém tlaku, které ale budou vyžadovat nejrychlejší počítače na světě.

Experimenty budou pokračovat. Výzkumníci laboratoře Sandia plánují provést další experimenty pomocí laseru a chtějí také využít zařízení Omega v Rochesteru. Konečným cílem všech těchto experimentů je stanovit stavovou rovnici vodíku, tedy závislosti mezi různými fyzikálními veličinami, jako je tlak a teplota při extrémních tlacích. Tyto výsledky by mohly například vyřešit záhadu, zda Jupiter obsahuje pevné nebo kapalné jádro.

Výzkumníci z Marquette University předvedli novou optickou metodu pro identifikací bází desoxyribonukleové kyseliny (Troy Alexander a Chieu Tran, [M2]). Tato metoda by mohla omezit počet chyb při sekvencování DNA. [N1] Při určování genetického kódu se obvykle molekula DNA chemicky rozštěpí na řadu menších fragmentů. Jednotlivé báze v molekule DNA (adenin, guanin, cytosin, thymin) se značkují fluorescentními barvivy. Po osvětlení každý typ fluorescentního barviva vyzařuje světlo jiných vlnových délek. Molekuly těchto barviv ale vyzařují světlo vlnových délek určitého spektrálního pásma. Vykonávají různé rotační a vibrační pohyby a emitují světlo vlnových délek, které se někdy překrývá s emisemi světla ostatních barviv. Proto při sekvencování bází DNA dochází k chybám, kdy jsou určeny jiné sekvence. Výzkumníci z Marquette University se pokusili tento problém vyřešit a proto vyvinuli zvláštní dvojici barviv, jejichž emise se nepřekrývají. Jedno z těchto barviv musí být excitováno dvěma fotony, aby emitovalo jeden foton. Druhé barvivo emituje foton při excitaci jedním fotonem a vyzařované vlnové délky jsou naprosto odlišné od vlnových délek prvního barviva. Výzkumníci jsou přesvědčeni, že se jim podaří vyrobit čtveřici barviv, kdy dvě barviva budou vyžadovat dvoufotonovou excitaci a dvě barviva jednofotonovou excitaci. Vytvářejí dvoufotonové fluorescence obvykle vyžaduje finačně drahý laser s vysokým výkonem, který generuje spojité záření. Tran je ale přesvědčen, že nová generace pulsních laserů umožní dvoufotonovou fluorescenci výrazně zlevnit. Výzkumníci se dále zabývají zjednodušením své metody, aby bylo možno detekovat signály jednofotonové a dvoufotonové fluorescence současně. (Alexander and Tran, Applied Optics, 20. dubna 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 587. April 30, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

[N1] Vývojový strom života. Institut pro výzkum genomů TIGR. Natura 6/1999.

Vědecký tým z Rice University (Randy Hulet, [M1]) jako první vytvořil pozoroval světlé solitony v Boseových-Einsteinových kondenzátech. Tímto objevem nabídl novou ukázku vlnového chování atomů a poskytl další důležitý nástroj po případné technologické aplikace Boseových-Einsteinových kondenzátů.

V polovině 19. století skotský inženýr John Scott Russel (1808 - 1882), který se zabýval stavbou člunů pro dopravu po říčních kanálech, zpozoroval, že někdy na vodní hladině vznikají zvláštní vlny, které jsou složeny z jediného maxima, šířícího se nad vodní hladinou. Později zjistil, že vlna s větší amplitudou se šíří rychleji než vlna s menší amplitudou. Přitom v teorii vlnění rychlost vlny závisí na vlastnostech prostředí a nikoliv na amplitudě. Tyto vlny nazval ojedinělými vlnami (solitory waves), z čehož později vznikl název solitony.

Závěry Russelových pozorování byly neobvyklé a odporovaly teorii vln natolik, že matematikové a fyzikové je považovali za nepodložené a nevědecké. Díky neúprosné kritice Russelovy objevy téměř zapadly, přestože bylo známo, že v oceánu občas vznikají neobvyklé vlny se značnou energií. Námořníci vypozorovali, že při vlnobití někdy vzniká posloupnost vln s rostoucí amplitudou, z nichž zpravidla devátá vlna má pro plavidla katastrofální následky.

Soliton je jediná složená vlna, která se pohybuje na velké vzdálenosti bez svého rozptylu a bez ztráty původního tvaru. Solitony se mohou vyskytovat ve všech typech vln. Například jsou studovány solitony ve zvukových a světelných vlnách. Solitony ve světelných vlnách jsou předmětem zájmu telekomunikačního výzkumu.

Z matematického hlediska lze solitony popsat nelineárními diferenciálními rovnicemi vyššího řádu, konkrétně Kortevegovou - de Vriesovou rovnicí, která popisuje solitony s rychlostí závislou na amplitudě, a nelineární (kubickou) Schrödingerovou rovnicí, která popisuje obálkové solitony. Existuje však celá řada dalších rovnic, které popisují šíření solitonů v určitém periodickém prostředí, jako je krystalická mřížka. [1]

Solitony samozřejmě existují také v Boseových-Einsteinových kondenzátech, které jsou složeny z velmi ochlazených atomů ve společném kvantovém stavu a proto se chovají jako jediná atomová vlna. Krátce po opuštění atomové pasti se atomová vlna Boseova- Einsteinova kondenzátu rozptyluje.

V předchozích experimentech (jako Burger et al., Phys. Rev. Lett., 20. prosince 1999) výzkumníci pozorovali "temné solitony", představované dírami po atomech, které se v kondenzátu šíří bez ztráty tvaru. Nyní výzkumníci v kondenzátu z atomů lithia poprvé pozorovali "světlé" solitony, složené z kondenzátu atomů, který se oddělil od základního Boseova-Einsteinova kondenzátu. Světlé solitony jsou tedy jednotlivé atomové vlny, které se oddělily od základní atomové vlny. Použitím úzkého paprsku laseru výzkumníci atomy kondenzátu vyrovnaly do jednoduchého řetízku. Přitažlivé interakce mezi atomy lithia v řetízku jsou právě takové, že zabraňují jejich rozptylování. Touto technologií výzkumníci vytvořily "vlak" až patnácti solitonů (viz obr. [X1]). Solitony v atomových vlnách mohou být užitečným nástrojem v budoucích gyroskopech z Boseových-Einsteinových kondenzátů pro velmi přesnou navigaci a v přesných atomových hodinách. (Strecker et al., Nature, tištěné vydání 9. května 2002; články G1.011 a R1.001 na zasedání Oddělení atomové, molekulární a optické fyziky Americké fyzikální společnosti ve Williamsburgu 29. května až 1. června 2002)

Jen milimetry od našeho vesmíru se může skrývat jiný vesmír. O jeho existenci se však nemůžeme nic dovědět, protože se nachází ve své vlastní membráně, oddělené od naší membrány dalšími prostorovými dimenzemi. Hmota v jiné membráně je neviditelná, ale může se projevovat gravitačními jevy a tak představovat hledanou temnou hmotu ve vesmíru. Paul Steinhardt (Princeton) a Neil Turok (Cambridge) ve svém článku tvrdí, že struktura našeho vesmíru mohla vzniknout kvůli srážce dvou takových membránových vesmírů. Všechny kosmologické jevy v historii našeho vesmíru, od velkého třesku, přes vznik galaxií a jejich kosmologické vzdalování až po dnešní zrychlující se fázi rozpínání vesmíru a budoucí smršťování do "velkého krachu", se mohou odehrávat v opakujícím se dramatu. Tato "cyklická kosmologie" (která je rozšířením ekpyrotického modelu vesmíru Paula Steinhardta, viz [N1] - Nová teorie velkého třesku) používá všechny poslední nástroje teorie superstrun. Podle této teorie kosmologické rozpínání vesmíru způsobila "temná hmota". Není proto nutné ke standardní teorii velkého třesku připojovat "inflační fázi", aby se vysvětlily kosmologické vlastnosti, jako je problém horizontu (všechny nejvzdálenější oblasti vesmíru mají stejnou teplotu). (Sciencexpress, 25. dubna 2002; Science, červen 2002)

Shawn Lin a jeho kolegové z americké národní laboratoře Sandia zhotovili wolframový fotonický krystal, krystalickou mřížku atomů, která pohlcuje světlo určitých vlnových délek. Tuto zvláštní polovodičovou strukturu vytvořili pomocí běžných mikrolitografických metod. Z povrchu polovodiče pak selektivně odstranili část materiálu a vzniklé mezery vyplnili párami wolframu. Kovové fotonické krystaly byly vyrobeny již dříve, ale tento krystal jako první pohlcuje světlo vlnových délek 8 až 20 mikronů. Tato úprava geometrie fotonického krystalu zajišťuje vyšší účinnost, protože více energie zůstává ve formě světla a nikoliv tepla. (Fleming et al., Nature, 2. května 2002.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 588. May 9, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

[1] Sochor, Václav: Lasery a koherentní svazky. Akademia, Praha 1990. ISBN: 80-200-354-1