TLDR: Neutrina jsou notoricky obtížně detekovatelná. Na počátku tohoto roku se však poprvé povedlo polapit vysokoenergetická neutrina, která vznikají při srážení částic na LHC. Studie tuna a tuna.

Částice duchů

Lidské smysly jsou užitečné k tomu, abychom úspěšně ulovili mamuta nebo pochopili, že je dobré se schovat před deštěm – ale pro mnoho jiných úkonů jsou užitečné asi jako automat na kondomy ve Vatikánu. Našimi smysly neumíme detekovat většinu elmag záření, které hrají zásadní roli ve vesmírných jevech. Například taková neutrina jsou všude kolem nás, proplouvají vámi i při čtení těchto řádků – ale detekovat je mimořádně složité. Neutrina totiž procházejí běžnou hmotou jako horký nůž máslem. A o to důležitější je jejich první úspěšná detekce na LHC…

Neutrina nemají žádný elektrický náboj, jejich hmotnost je téměř nulová a s ostatními částicemi, s nimiž se setkávají, téměř neinteragují a když už k tomu posbírají kuráž tak slabě. Vaším tělem právě teď proudí stovky miliard neutrin. Kdybychom byli poetičtí, říkali bychom neutrinům spíše „částice duchů“. Neutrina mohou být díky těmto svým vlastnostem významný posel astronomických událostí (supernovy a tak), ale také mohly hrát roli při formování vesmíru…

Přestože jejich interakce s hmotou je malá, není zcela neexistující. A navzdory své titěrné hmotnosti neutrina nějakou měrou ovlivňují gravitaci vesmíru (ačkoli neutrina byla jako temná hmota v podstatě již vyloučena). Jejich lepší poznání uvnitř urychlovačů nám proto může napomoct také lepšímu pochopení toho, jak vznikal vesmír. A právě pomocí detektoru FASER na Velkém hadronovém urychlovači alias LHC místní z CERNu konečně detekovali neutrina po domácku upečená ze srážek protonů o energiích skoro 7 TeV (lepší si na Zemi zatím neupečeme). Tím si navíc trhli prvenství v kategorii detekce „srážkových“ neutrin.

O úspěšné detekci se mluvilo již na 57. konferenci Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories v Itálii v březnu 2023, nyní však závěry detekce potvrdily i navazující studie!

Malý velký třesk

V přírodě neutrina vznikají za energetických okolností, například při jaderné fúzi, která probíhá uvnitř hvězd, nebo při výbuchu supernovy. K jejich detekci byly postaveny obří detektory, z nichž nejslavnější je antarktický IceCube. Neutrina produkovaná srážkami na urychlovačích částic jsou však již dlouho vyhledávána fyziky, protože jejich vysoké energie nejsou tak dobře prozkoumány jako neutrina s nízkými energiemi.

Respektive takto: máme docela dobře prozkoumány i  vysokoenergetická neutrina. Fígl je v tom že ty low energy jdou od slunce a je jich hromada, high energy (HE) zas raději interagují s hmotou – třeba všechno na IceCube jsou HE. Detekce v LHC nám tak může vyplnit způsob analýzy, který jinde provést nešel.

FASERν je emulzní detektor, který se skládá z milimetr tlustých wolframových desek střídaných vrstvami emulzní fólie. Wolfram byl vybrán kvůli své vysoké hustotě, která zvyšuje pravděpodobnost interakce neutrin; detektor se skládá ze 730 emulzních filmů a celková hmotnost wolframu je přibližně 1 tuna.

Neutrina pocházející ze srážek na LHC se pak mohou srážet s jádry ve wolframových deskách, přičemž vznikají částice, které zanechávají stopy v emulzních vrstvách.  Podobně jako ionizující záření vytváří stopy v mračnech nebo na archaických mlžných komorách jako je třeba Gargamel z osmdesátek…

To také znamená, že detekce neutrin v LHC není žádná brnkačka. Desky je po experimentu třeba vyvolat podobně jako fotografický film, aby fyzikové mohli analyzovat stopy částic a zjistit, co je vytvořilo. Takto bylo identifikováno celkem šest kandidátů na neutrina již v roce 2021. Nyní vědci svůj objev potvrdili na základě sběru dat ze třetího běhu modernizovaného urychlovače LHC, který začal v loňském roce, a to s hladinou významnosti 16 sigma.

To znamená, že pravděpodobnost, že signály vznikly náhodou, je tak nízká, že je téměř nulová; v částicové fyzice stačí hladina významnosti 5 sigma k tomu, aby byla kvalifikována jako objev.

Zatím jen detekce…

Zároveň ale potvrzená detekce neznamená, že jsme právě odhalili ekvivalent významu číslic „42“. Tým FASER stále usilovně pracuje na analýze dat získaných detektorem a zdá se pravděpodobné, že bude následovat ještě mnoho dalších detekcí neutrin. Očekává se, že třetí běh urychlovače LHC bude pokračovat až do roku 2026 a sběr a analýza dat stále probíhají.

Nenechte se však mýlit, s neutriny si už vědátoři z CERNU už nějakou dobu hrají, když jejich proud emitovaný z jiného urychlovače SPS „stříleli“ skrze hmotu naší planety 732 km do italského detektoru Gran Sasso. Ostatně právě tam vznikla kauza s „nadsvětelnými neutriny“, která se nakonec vysvětlila špatně zapojeným kabelem. O neutrine, ale těch z kosmu, dokonce napsala diplomku moje fyzikální podjednotka JaRon Tomáštík. Tam se zaměřoval právě na jejich vznik v kosmických zdrojích či po cestě z vysokoenergetických nabitých částic.

Ještě v roce 2021 fyzik David Casper z Kalifornské univerzity v Irvine předpokládal, že běh přinese přibližně 10 000 neutrinových interakcí, což znamená, že jsme se sotva poškrábali na povrch toho, co FASER nabízí. FASER také přináší nový způsob pro hledání dlouho žijících částic, které podobně málo interagují jako neutrina a mohou unikat ven z velkých částicových detektorů pozorující srážky částic.

Teprve dlouhodobá detekce nám může říct víc o nepoznaných vlastnostech neutrin – a teprve na základě těchto dat se začnou na hlavách škrábat teoretičtí fyzici, aby dle experimentů mohli poupravit známé teorie. Vědátoři tak před sebou ještě mají setsakra dlouhou cestu, než nám svět všudypřítomných částicových duchů lépe popíšou!

[Ladislav Loukota, AL, JaRon Tomáštík]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Autolink hír.