Keď Wolfgang Pauli vymyslel neutrína, nevedel pre ne vlastne nič vypočítať, ale niečo vedel odhadnúť. A odhadol, že hmotnosť neutrína je niekde na úrovni hmotnosti elektrónu, možno aj oveľa menšia. Keď Enrico Fermi vymyslel teóriu procesov, v ktorých neutrína vznikajú, nebol odkázaný len na odhady, ale dokázal v jej rámci všeličo vypočítať. A vypočítal, že jeho teória je konzistentná s experimentálnymi dátami len vtedy, ak je hmotnosť neutrín oveľa menšia ako hmotnosť elektrónov, možno aj nulová.
Keď Richard Feynman a Murray Gell-Mann vymysleli zásadné vylepšenie Fermiho teórie, ukázalo sa, že najprirodzenejšie by bolo, keby neutrína mali celkom nulovú hmotnosť. Dnes si skúsime povedať, prečo sa to zdalo najprirodzenejšie. A nabudúce si povieme, prečo sa nám to dnes už také prirodzené nezdá. .dvaja Číňania
Jedna z najzaujímavejších vecí na celej histórii neutrín a ich hmotností je fakt, že tie hmotnosti nikto nikdy neodmeral. Niežeby sa o to ľudia nepokúšali, ale zatiaľ sa to nikomu nepodarilo. A tak všetky informácie, ktoré o hmotnosti neutrín máme, sú len nepriame.
Na začiatku cesty k všeobecnému presvedčeniu o ich nulovej hmotnosti neutrína vôbec nevystupovali. Vystupovali tam celkom iné častice a kľúčovú úlohu hral ich súvis s fyzikou vo svete za zrkadlom. O svete za zrkadlom si fyzici mysleli – na rozdiel od Lewisa Carrola a jeho Alice – že v ňom platia rovnaké fyzikálne zákony ako v našom svete. Nebolo to len pre nedostatok fantázie, mali na to veľmi dobrý dôvod. Nuž, ale tie iné častice (vtedy sa volali tau a theta, dnes im hovoríme K-mezóny) sa správali tak, akoby ten dobrý dôvod ignorovali.
Čo to bol za dôvod, ako ho tie častice ignorovali a ako si s tým fyzici nakoniec poradili? Dôvodom bola symetria. Všetky dovtedy známe fyzikálne zákony boli symetrické vzhľadom na zrkadlenia. A symetrie hrajú vo fyzike veľmi dôležitú úlohu. Nie je to len vec estetiky, so symetriami súvisia najdôležitejšie zákony zachovania, ako napríklad zákon zachovania energie alebo zákon zachovania hybnosti. Aj so zrkadlením súvisí jeden dôležitý, aj keď nie až taký slávny zákon zachovania. Volá sa zákon zachovania parity a dlho bol vo fyzike považovaný za rovnako posvätnú vec ako zákony zachovania energie a hybnosti.
Častice tau a theta predstavovali problém práve z hľadiska tohto zákona. V ich rozpadoch sa totiž parita zdanlivo nezachovávala, a to spôsobovalo fyzikom množstvo bezsenných nocí. Záhadu rozlúskli až dvaja mladí Číňania –Tsung Dao Lee a Chen Ning Yang – ktorí študovali v USA práve u Enrica Fermiho. A rozlúskli ju podobne, ako rozlúskol Alexander Macedónsky záhadu gordického uzla. Rozťali ju tým najjednoduchším možným spôsobom. Povedali si, že nezachovanie parity v rozpadoch tau a theta častíc nie je zdanlivé, ale skutočné. Že v týchto rozpadoch platia dovtedy nepoznané fyzikálne zákony, ktoré jednoducho nie sú zrkadlovo symetrické.
Na základe tohto odvážneho predpokladu potom preskúmali, v akých ďalších procesoch by sa mohla parita nezachovávať a ako by sa to dalo experimentálne overiť. Vzápätí ich prepovede overila a potvrdila čínska fyzička, tiež žijúca v USA – Chien Shiung Wu. Hneď v nasledujúcom roku (1957) získali Lee a Yang Nobelovu cenu. Bola to jedna z najrýchlejšie udelených Nobelových cien v histórii. .dvaja Nerusi
A čo znamená narušenie symetrie medzi naším svetom a svetom za zrkadlom pre neutrína? Na to prišli prví dvaja fyzici s rusky znejúcimi priezviskami – Sudarshan a Marshak – z ktorých jeden sa narodil v Indii a druhý v Bronxe.
Ennackal Chandy George Sudarshan sa v Indii nielen narodil, ale tam aj vyštudoval fyziku, a potom pokračoval v štúdiu v USA u Roberta Marshaka. Jeden z problémov, ktorými sa zaoberali, bola určitá modifikácia Fermiho teórie neutrín. V tejto modifikácii – podobne ako v prípade rozpadov tau a theta častíc – sa parita nezachovávala a symetria medzi svetom a jeho zrkadlovým obrazom bola narušená. A nielenže bola narušená, Sudarshan a Marshak skúmali prípad, v ktorom bola tá symetria narušená maximálnym možným spôsobom.
Maximálne narušenie symetrie malo takúto formu: v našom svete vznikali iba takzvané ľavotočivé neutrína, v svete za zrkadlom zas vznikali len pravotočivé neutrína. Čo znamená ľavotočivosť a pravotočivosť? Niektoré častice, medzi nimi aj neutrína, sa neustále vrtia. Ak sa na takúto časticu pozeráme v smere jej pohybu, potom pravotočivosť znamená vrtenie v smere pohybu hodinových ručičiek a ľavotočivosť vrtenie v opačnom smere. Maximálne narušenie zrkadlovej symetrie by znamenalo, že Carollova Alica by mohla jednoducho zistiť, či sa nachádza v našom svete, alebo za zrkadlom. Stačilo by sa jej pozrieť, ako sa vrtí prvé neutríno, ktoré by išlo okolo. Ak by bolo ľavotočivé, znamenalo by to tento svet, ak pravotočivé, bola by za zrkadlom.
Marshak dal Sudarshanovi za úlohu zistiť, či ich modifikácia Fermiho teórie nie je v rozpore s vtedy známymi experimentálnymi dátami. Sudarshan zistil, že až na pár výnimiek dáva ich teória výsledky v súhlase s dátami. A ako sebavedomý teoretický fyzik o tých výnimkách predpokladal, že experimenty sú chybné. Marshak bol však opatrnejší, a tak s publikáciou výsledku váhal. Namiesto článku v prvotriednom časopise predniesol celú vec iba na jednej konferencii a článok sa objavil v zborníku z tejto konferencie. Veľmi pravdepodobne ich toto zaváhanie stálo Nobelovu cenu. .dvaja Američania
Sudarshanovu a Marshakovu teóriu totiž celý svet pozná skôr ako Feynmanovu a Gell-Mannovu teóriu. Títo dvaja americkí fyzici publikovali krátko po spomínanej konferencii článok, v ktorom sa zaoberali rovnakou modifikáciou Fermiho teórie. A zatiaľ čo Sudarshanova a Marshakova práca zostala prakticky nepovšimnutá, Feynmanov a Gell-Mannov článok si veľa ľudí všimlo takmer okamžite a takmer všetci rýchlo pochopili, že ide pravdepodobne o jeden z najdôležitejších krokov v histórii fyziky elementárnych častíc.
Feynman aj Gell-Mann získali neskôr Nobelovu cenu, našťastie však nie za tento objav, ale za iné svoje práce. Našťastie preto, lebo inak by to bol naozaj škandál. Gell-Mann sa totiž o inkriminovanej modifikácii Fermiho teórie dozvedel na obede práve od Sudarshana a Feynman sa o nej dozvedel pri nejakej inej príležitosti od Marshaka. Vo svojom článku to síce spomínajú, ale necitujú tam Sudarshanovu a Marshakovu prácu zo zborníka (o ktorej v tom čase takmer určite nevedeli). Okrem toho, Feynmanov a Gell-Mannov článok si všíma iné aspekty ako pôvodný Sudarshanov a Marshakov článok, rozhodne nejde o tú istú prácu. Základ je však rovnaký, a preto Feynman o výslednej teórii neskôr hovorieval ako o teórii objavenej Sudarshanom a Marshakom a publikovanej Feynmanom a Gell-Mannom.
A ako to celé súvisí s hmotnosťou neutrín? Takto: Ak existujú na svete len ľavotočivé neutrína, potom sa neutrína nesmú dať predbehnúť. Ak by sme ich totiž predbiehali, t.j. ak by sme sa pohybovali vyššou rýchlosťou ako ony, zmenil by sa vzhľadom k nám smer ich rýchlosti ale nie smer ich vrtenia. To by však znamenalo, že ich ľavotočivosť by sa zmenila na pravotočivosť. V svete, v ktorom neexistujú pravotočivé neutrína, sa teda ľavotočivé neutrína nemôžu dať predbehnúť. Ale to znamená, že sa musia pohybovať najväčšou možnou rýchlosťou, ktorou je rýchlosť svetla. Nuž, ale rýchlosťou svetla sa môžu pohybovať len objekty, ktorých hmotnosť je nulová.
Sudarshan-Marshak-Feynman-Gell-Mannova teória teda viedla veľmi prirodzene k nulovej hmotnosti neutrín. Nabudúce si povieme niečo o tom, odkiaľ vieme, že hmotnosť neutrín je v skutočnosti takmer určite nenulová.
Keď Richard Feynman a Murray Gell-Mann vymysleli zásadné vylepšenie Fermiho teórie, ukázalo sa, že najprirodzenejšie by bolo, keby neutrína mali celkom nulovú hmotnosť. Dnes si skúsime povedať, prečo sa to zdalo najprirodzenejšie. A nabudúce si povieme, prečo sa nám to dnes už také prirodzené nezdá. .dvaja Číňania
Jedna z najzaujímavejších vecí na celej histórii neutrín a ich hmotností je fakt, že tie hmotnosti nikto nikdy neodmeral. Niežeby sa o to ľudia nepokúšali, ale zatiaľ sa to nikomu nepodarilo. A tak všetky informácie, ktoré o hmotnosti neutrín máme, sú len nepriame.
Na začiatku cesty k všeobecnému presvedčeniu o ich nulovej hmotnosti neutrína vôbec nevystupovali. Vystupovali tam celkom iné častice a kľúčovú úlohu hral ich súvis s fyzikou vo svete za zrkadlom. O svete za zrkadlom si fyzici mysleli – na rozdiel od Lewisa Carrola a jeho Alice – že v ňom platia rovnaké fyzikálne zákony ako v našom svete. Nebolo to len pre nedostatok fantázie, mali na to veľmi dobrý dôvod. Nuž, ale tie iné častice (vtedy sa volali tau a theta, dnes im hovoríme K-mezóny) sa správali tak, akoby ten dobrý dôvod ignorovali.
Čo to bol za dôvod, ako ho tie častice ignorovali a ako si s tým fyzici nakoniec poradili? Dôvodom bola symetria. Všetky dovtedy známe fyzikálne zákony boli symetrické vzhľadom na zrkadlenia. A symetrie hrajú vo fyzike veľmi dôležitú úlohu. Nie je to len vec estetiky, so symetriami súvisia najdôležitejšie zákony zachovania, ako napríklad zákon zachovania energie alebo zákon zachovania hybnosti. Aj so zrkadlením súvisí jeden dôležitý, aj keď nie až taký slávny zákon zachovania. Volá sa zákon zachovania parity a dlho bol vo fyzike považovaný za rovnako posvätnú vec ako zákony zachovania energie a hybnosti.
Častice tau a theta predstavovali problém práve z hľadiska tohto zákona. V ich rozpadoch sa totiž parita zdanlivo nezachovávala, a to spôsobovalo fyzikom množstvo bezsenných nocí. Záhadu rozlúskli až dvaja mladí Číňania –Tsung Dao Lee a Chen Ning Yang – ktorí študovali v USA práve u Enrica Fermiho. A rozlúskli ju podobne, ako rozlúskol Alexander Macedónsky záhadu gordického uzla. Rozťali ju tým najjednoduchším možným spôsobom. Povedali si, že nezachovanie parity v rozpadoch tau a theta častíc nie je zdanlivé, ale skutočné. Že v týchto rozpadoch platia dovtedy nepoznané fyzikálne zákony, ktoré jednoducho nie sú zrkadlovo symetrické.
Na základe tohto odvážneho predpokladu potom preskúmali, v akých ďalších procesoch by sa mohla parita nezachovávať a ako by sa to dalo experimentálne overiť. Vzápätí ich prepovede overila a potvrdila čínska fyzička, tiež žijúca v USA – Chien Shiung Wu. Hneď v nasledujúcom roku (1957) získali Lee a Yang Nobelovu cenu. Bola to jedna z najrýchlejšie udelených Nobelových cien v histórii. .dvaja Nerusi
A čo znamená narušenie symetrie medzi naším svetom a svetom za zrkadlom pre neutrína? Na to prišli prví dvaja fyzici s rusky znejúcimi priezviskami – Sudarshan a Marshak – z ktorých jeden sa narodil v Indii a druhý v Bronxe.
Ennackal Chandy George Sudarshan sa v Indii nielen narodil, ale tam aj vyštudoval fyziku, a potom pokračoval v štúdiu v USA u Roberta Marshaka. Jeden z problémov, ktorými sa zaoberali, bola určitá modifikácia Fermiho teórie neutrín. V tejto modifikácii – podobne ako v prípade rozpadov tau a theta častíc – sa parita nezachovávala a symetria medzi svetom a jeho zrkadlovým obrazom bola narušená. A nielenže bola narušená, Sudarshan a Marshak skúmali prípad, v ktorom bola tá symetria narušená maximálnym možným spôsobom.
Maximálne narušenie symetrie malo takúto formu: v našom svete vznikali iba takzvané ľavotočivé neutrína, v svete za zrkadlom zas vznikali len pravotočivé neutrína. Čo znamená ľavotočivosť a pravotočivosť? Niektoré častice, medzi nimi aj neutrína, sa neustále vrtia. Ak sa na takúto časticu pozeráme v smere jej pohybu, potom pravotočivosť znamená vrtenie v smere pohybu hodinových ručičiek a ľavotočivosť vrtenie v opačnom smere. Maximálne narušenie zrkadlovej symetrie by znamenalo, že Carollova Alica by mohla jednoducho zistiť, či sa nachádza v našom svete, alebo za zrkadlom. Stačilo by sa jej pozrieť, ako sa vrtí prvé neutríno, ktoré by išlo okolo. Ak by bolo ľavotočivé, znamenalo by to tento svet, ak pravotočivé, bola by za zrkadlom.
Marshak dal Sudarshanovi za úlohu zistiť, či ich modifikácia Fermiho teórie nie je v rozpore s vtedy známymi experimentálnymi dátami. Sudarshan zistil, že až na pár výnimiek dáva ich teória výsledky v súhlase s dátami. A ako sebavedomý teoretický fyzik o tých výnimkách predpokladal, že experimenty sú chybné. Marshak bol však opatrnejší, a tak s publikáciou výsledku váhal. Namiesto článku v prvotriednom časopise predniesol celú vec iba na jednej konferencii a článok sa objavil v zborníku z tejto konferencie. Veľmi pravdepodobne ich toto zaváhanie stálo Nobelovu cenu. .dvaja Američania
Sudarshanovu a Marshakovu teóriu totiž celý svet pozná skôr ako Feynmanovu a Gell-Mannovu teóriu. Títo dvaja americkí fyzici publikovali krátko po spomínanej konferencii článok, v ktorom sa zaoberali rovnakou modifikáciou Fermiho teórie. A zatiaľ čo Sudarshanova a Marshakova práca zostala prakticky nepovšimnutá, Feynmanov a Gell-Mannov článok si veľa ľudí všimlo takmer okamžite a takmer všetci rýchlo pochopili, že ide pravdepodobne o jeden z najdôležitejších krokov v histórii fyziky elementárnych častíc.
Feynman aj Gell-Mann získali neskôr Nobelovu cenu, našťastie však nie za tento objav, ale za iné svoje práce. Našťastie preto, lebo inak by to bol naozaj škandál. Gell-Mann sa totiž o inkriminovanej modifikácii Fermiho teórie dozvedel na obede práve od Sudarshana a Feynman sa o nej dozvedel pri nejakej inej príležitosti od Marshaka. Vo svojom článku to síce spomínajú, ale necitujú tam Sudarshanovu a Marshakovu prácu zo zborníka (o ktorej v tom čase takmer určite nevedeli). Okrem toho, Feynmanov a Gell-Mannov článok si všíma iné aspekty ako pôvodný Sudarshanov a Marshakov článok, rozhodne nejde o tú istú prácu. Základ je však rovnaký, a preto Feynman o výslednej teórii neskôr hovorieval ako o teórii objavenej Sudarshanom a Marshakom a publikovanej Feynmanom a Gell-Mannom.
A ako to celé súvisí s hmotnosťou neutrín? Takto: Ak existujú na svete len ľavotočivé neutrína, potom sa neutrína nesmú dať predbehnúť. Ak by sme ich totiž predbiehali, t.j. ak by sme sa pohybovali vyššou rýchlosťou ako ony, zmenil by sa vzhľadom k nám smer ich rýchlosti ale nie smer ich vrtenia. To by však znamenalo, že ich ľavotočivosť by sa zmenila na pravotočivosť. V svete, v ktorom neexistujú pravotočivé neutrína, sa teda ľavotočivé neutrína nemôžu dať predbehnúť. Ale to znamená, že sa musia pohybovať najväčšou možnou rýchlosťou, ktorou je rýchlosť svetla. Nuž, ale rýchlosťou svetla sa môžu pohybovať len objekty, ktorých hmotnosť je nulová.
Sudarshan-Marshak-Feynman-Gell-Mannova teória teda viedla veľmi prirodzene k nulovej hmotnosti neutrín. Nabudúce si povieme niečo o tom, odkiaľ vieme, že hmotnosť neutrín je v skutočnosti takmer určite nenulová.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.