Nevěnovat se Nobelově ceně za fyziku by byl určitě prohřešek. Zvláště proto, že byla udělena za práce na výzkumu neutrin, patřících k nejzáhadnějším členům rodiny elementárních částic. Fyzikové navíc poprvé nakoukli za hranice Standardního modelu. Protože to je problematika velmi rozsáhlá a složitá, doplníme ji dnes pouze jedním dalším objevem, který by také možná mohl někdy aspirovat na významné ocenění. Je to nový laser, který má ambice stát se výtečným diagnostikem v lékařství.
Nobelova cena za fyziku za rok 2015
Nobelovu cenu za fyziku za rok 2015 dostali Arthur B. Mc Donald a Takaaki Kajita za potvrzení oscilací neutrin, které dokazují, že neutrina mají nenulovou hmotnost.
Kajita je Japonec, člen Super-Kamiokande collaboration. Narodil se v roce 1959 v Higashimatsuyama. Doktorát získal na univerzitě v Tokyu, po dvou letech přešel do Institute for Cosmic Ray Research, kde je v současné době ředitelem.
Mc Donald je Kanaďan, ředitel Sudbury Neutrino Observatory (SNO) a emeritní profesor fyziky na Qeen’s University. Narodil se v roce 1943 v Sydney v Novém Skotsku a studoval na Dalhouse University v Halifaxu. Vzdělání dokončil v USA. Po sedmi letech na Princetonské univerzitě přešel na univerzitu v Kingstonu v Ontariu a stal se ředitelem SNO.
Neutrina jsou jediné částice, za jejichž objev a vlastnosti bylo uděleno už pět Nobelových cen za fyziku. Jsou to jedny z nejlehčích a nejpodivnějších částic. Šokující je, že letos se jedná o jediný výsledek, který sahá za hranice Standardního modelu částicové fyziky.
Neutrino vzniká při jaderných reakcích, které obsahují beta rozpad, tedy rozpad neutronu na proton a elektron. Má spin ħ/2 a patří mezi fermiony, což jsou částice splňující Pauliho vylučovací princip. Znamená to, že žádné dvě takové částice se nemohou vyskytovat ve stejném kvantovém stavu. Elektrický náboj je nulový, nepůsobí na něj ani silná ani elektromagnetická interakce a velmi málo gravitace. Neinteraguje proto prakticky vůbec s okolním prostředím a je velmi těžké ho vůbec detekovat. Dnes jsou známy tři druhy neutrin, elektronové, mionové a tauonové neutrino. Jsou pojmenovány podle odpovídajících leptonů ve Standardním modelu.
Zdrojů neutrin je celá řada. V první řadě je to Slunce a další hvězdy. Při termonukleární fúzi, která je hlavním energetickým zdrojem Slunce, jsou neutrina jedním z výsledných produktů. Neutrina vznikají i při výbuších supernov. Při interakci kosmického záření s atomy atmosféry vzniká velké množství částic, mezi nimi také neutrina. V nitru Země vznikají geoneutrina v důsledku přirozeného radioaktivního rozpadu hornin. A konečně jsou to jaderné reaktory, kde vznikají neutrina v důsledku lidské činnosti. V běžné jaderné elektrárně vzniká každou sekundu více než 50 000 neutrin. Dále se předpokládá, že celý vesmír je vyplněn neutriny vzniklými v raných horkých dobách vesmíru těsně po Velkém třesku.
Existenci neutrin předpověděl už v roce 1930 Wolfgang Pauli jako záchranu nesrovnalostí vznikajících při studiu beta rozpadů a zákonů zachování energie, hybnosti a momentu hybnosti. Pauli byl přesvědčen, že neutrina nebude nikdy možno detekovat. Naštěstí se ale už v roce 1956 ukázalo, že neměl pravdu. Frederic Reines a Clyde Cowan totiž detekovali antineutrina (antičástice neutrina) vznikající v jaderném reaktoru. V roce 1995 za to dostali Nobelovu cenu.
V roce 1957 objevil italský fyzik Bruno Pontecorvo, že existuje více typů neutrin, kterým se začalo říkat „vůně“, a to neutrino elektronové, mionové a tauonové, a že by se dokonce mohly měnit neboli oscilovat mezi jednotlivými vůněmi. Existence více vůní neutrin byla potvrzena v roce 1962, když Leon Lederman, Melvin Schwartz a Kack Steinberger z Brookhaven National Laboratory pozorovali Pauliho elektronové neutrino a neutrino mionové. Tauonové neutrino bylo předpovězeno v roce 1975 a objeveno až v roce 2000.
Podle Standardního modelu částicové fyziky má neutrino nulovou hmotnost. Ale experimenty, které se zabývají neutriny ze Slunce a atmosférickými neutriny produkovanými při průchodu kosmického záření atmosférou, detekovaly méně těchto těžko postižitelných částic, než předpovídá teorie. Jedním z možných vysvětlení je právě oscilace těchto elektronových neutrin na mionová a tauonová neutrina. To by bylo ale možné jen v případě nenulové hmotnosti neutrin. Nenulová hmotnost neutrin by navíc mohla vypovědět něco o „chybějící hmotnosti ve vesmíru“. Koncepce oscilace neutrin přišla znovu na přetřes v roce 1964, když Raymond Davis a John Bahcall zjistili, že během jejich experimentu se slunečními neutriny, který prováděli v Jižní Dakotě, bylo detekováno pouze 30 % elektronových neutrin z počtu, který byl stanoven teoreticky. Tato nesrovnalost se dala vysvětlit pouze tím, že neutrina při cestě ze Slunce na Zem oscilovala mezi jednotlivými vůněmi. Jestli ale došlo k oscilacím, znamenalo to, že neutrina mají hmotnost, a to je v rozporu se Standardním modelem částicové fyziky.
V roce 1998 Kajita publikoval data získaná v experimentu Super-Kamiokande, která ukazovala, že poměry elektronových k mionovým neutrinům přicházejících z opačných stran Země byly různé. A to znamenalo, že tato neutrina, tvořená během interakce kosmických paprsků s jádry v horních vrstvách atmosféry, měnila svoji vůni při průchodu Zemí. Poprvé se experimentálně ukázalo, že neutrina musí mít nenulovou hmotnost – i když je to jen pouhá desetina eV, což je přibližně pouhá miliontina hmotnosti elektronu.
Za zmínku stojí způsob, jakým se dají vůbec neutrina experimentálně zjišťovat. Detektor neutrin musí být vždy hluboko pod zemským povrchem, aby experimenty nebyly rušeny kosmickým zářením. Dokonce i přirozená radioaktivita z detektoru samotného může napodobovat neutrinové interakce, takže detektor musí být vyroben z mimořádně čistého materiálu a izolován od okolního prostředí. Zařízení Super-Kamiokande obsahuje 50 000 tun ultra čisté vody, která je v tanku 1 000 metrů pod zemí ve středním Japonsku a může detekovat elektronová a mionová neutrina.
V letech 2001 a 2002 McDonald s kolegy zjistili, jaká část elektronových neutrin produkovaných na Slunci se mění na cestě k Zemi na neutrina mionová a tauonová. Mohli to zjistit proto, že zařízení SNO mohlo měřit počet neutrin všech vůní přicházejících ze Slunce i počet pouze elektronových neutrin přicházejících také ze Slunce. Tato měření umožnila McDonaldovi a kolegům jednak potvrdit Bahcallovu teoretickou předpověď nestálosti slunečních elektronových neutrin a ukázat, že až dvě třetiny slunečních elektronových neutrin mění při cestě na Zemi svoji vůni.
Důkaz oscilací neutrin byl proveden počátkem tohoto roku, když fyzici při experimentu T2K ( Tokai to Kamioka) vyslali svazek mionových neutrin po 295 km dlouhé dráze pod povrchem země na Super Kamiokande. Tam detekovali elektronová neutrina se statistickou platností větší než 5σ, což potvrzuje, že mionová neutrina skutečně oscilují na elektronová neutrina.
Tímto objevem studium neutrin určitě nekončí. Existuje řada dalších témat, která třeba přinesou neutrinům šestou Nobelovu cenu.
Nový laser
Němečtí a španělští fyzici vytvořili nový širokopásmový výkonový laser s velmi krátkými pulsy. To by ještě nebylo nic tak překvapivého, jenže tento laser se podle tvrzení jeho tvůrců může stát velmi výkonným lékařským diagnostickým zařízením. Umí totiž identifikovat určité molekuly obsažené ve velmi malé koncentraci v chemickém vzorku. A tím vzorkem by mohl být vydechnutý vzduch, který obsahuje molekuly specifické pro určité onemocnění.
Molekulární spektroskopie, jinak také vytváření „molekulárních otisků prstů“, je založena na ozáření plynného nebo kapalného vzorku laserovým paprskem obsahujícím určitou část elektromagnetického spektra. Přesné složení svazku záření se pak porovnává před a po průchodu vzorkem. Určité specifické vlnové délky jsou absorbovány a odhalují tak složení a strukturu molekul ve vzorku. Většina molekulárních vibrací může být stimulována zářením vlnových délek mezi 2 až 25 mikrometry, což je střední infračervená oblast, a tak může být laserové záření v této oblasti pro molekulární „otisky prstů“ velmi užitečné.
Protože žádná dosud známá látka není schopna vysílat záření v široké oblasti středních infračervených vlnových délek, pracují současné systémy s nelineárními krystaly (mají nelineární vlastnosti), a tím posunují záření k delším vlnovým délkám. Tyto krystaly mají ale svá omezení, a tak musí jít fyzici jinou cestou.
V nejnovější práci vytvořili fyzici z Ústavu Maxe Plancka systém, který využívá různé typy nelineárních krystalů. Záření v blízké infračervené oblasti je generováno v novém výkonovém femtosekundovaném laseru, který funguje jako oscilátor. Aktivní medium tvoří tenký kotouč z materiálu dopovaného ytterbiem. Záření z oscilátoru je komprimováno do pulsů o délce 20 femtosekund (fs = 10-14 s) a pak je konvertováno na záření ve střední infračervené oblasti pomocí nelineárního krystalu z lithium-galium-sulfidu. Současný prototyp zařízení zabírá plochu kolem 2 m2.
Zásadní pro vytvoření celého zařízení byl výběr nelineárního média. Nebylo totiž jasné, jestli se najde krystal, který splní požadavky na nízkou absorpci a vysoký práh namáhání.
Nový systém má řadu vlastností, které umožňují jeho použití v molekulární spektroskopii. Řada studovaných molekul existuje totiž ve velmi malých koncentracích. Například vzduch vydechnutý z plic obsahuje organické sloučeniny, které jsou přítomny v poměru několik částic ku miliardě. Proto je potřeba intenzivní zdroj světla, aby měl slušnou šanci detekovat takové molekuly. Průměrný výkon pulsů v této práci byl 0,1 W. Nový systém má také tu výhodu, že zabírá široké spektrum vlnových délek, 6,8 až 16,4 mikrometrů. Může tedy zaznamenat velký počet absorpčních čar pro různé typy molekul.
Znamená to, že molekula může být přesněji identifikována vzhledem k velmi intenzivnímu šumu pozadí. Je to jako otisk palce člověka. K přesné identifikaci určité osoby je potřeba otisk celého palce, nikoliv jen jeho část.
Další užitečnou vlastností nového laseru je jeho prostorová koherence. To zvětšuje vzdálenost, kterou může paprsek projít vzorkem, aniž dojde k výrazným ztrátám. To zvyšuje citlivost zařízení na molekuly s velmi nízkou koncentrací. Navíc je svazek fázově koherentní, což znamená, že elektrické pole jeho velmi krátkých pulsů (každý je kratší než dvě vlnové délky) je identické puls od pulsu.
Fázová koherence zvyšuje množství informací, které se dají získat z daného vzorku, protože při interakci s jednotlivými zkoumanými molekulami se fáze světla mění. Svazek s vlnovou délkou ve střední infračervené oblasti se navíc dá kombinovat s částí původního svazku s vlnovou délkou v blízké infračervené oblasti. To umožňuje měřit výstup detektory pro blízkou infračervenou oblast, které mají daleko menší šum než ty, které pracují ve střední infračervené.
Skupina vypracovala prototyp zařízení s ohledem na hlavní aplikaci, která bude v lékařství. Zařízení bude sloužit k detekci molekulárních markerů různých nemocí. Vzduch, který vydechujeme, obsahuje velmi malá množství molekul, specifických pro určitý druh onemocnění, včetně některých druhů nádorů. Podle fyziků může nový laser pomoci vědcům lépe porozumět buněčným procesům, které podporují tyto nemoci.
Fyzici průběžně pracují na rozšíření oblasti vlnových délek, na kterých může zařízení pracovat. Pro získávání molekulárních otisků je vhodný interval 2 až 25 mikrometrů. Rozšíření by umožnilo další aplikace, jako na příklad detekci výbušnin nebo monitorování nebezpečných látek ve vzduchu.
Původní materiály byly uveřejněny ve Physics World, Physical Review Letters, Nature a Nature Photonics.
Další díly:
Aktuality z fyziky XX
Aktuality z fyziky XIX
Aktuality z fyziky XVIII
Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top
ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I