Když vám řeknu, že nová měření snížila horní hranici odhadu hmotnosti neutrina na 0,8 elektronvoltu, nejspíš to na vás velký dojem neudělá. Nanejvýš vás zarazí ten „elektronvolt“, který nevypadá jako jednotka měření hmotnosti. (Ale je.).

Povím vám to tedy jinak. Celý vesmír – všechno, co kolem sebe vidíme i nevidíme – se na nejzákladnější úrovní skládá z elementárních částic. Některé z nich se skládají do větších celků a tvoří tím atomy, které se pak zas skládají do molekul. Většina částic to ale nedělá. Vedou osamělé životy. Ty jsou někdy mnohem kratší než mrknutí oka, jindy tak dlouhé jako trvání vesmíru minus řekněme vteřina.

Fyzika dnes rozlišuje sedmnáct elementárních částic. Jen o dvou z nich někdy slyšela většina laiků: elektron je součástí každého atomu, foton je částicí elektromagnetického vlnění, tedy například světla. V seznamu (kterému fyzikové říkají standardní model) byste ale marně hledali další dvě známá jména, proton a neutron, z nichž se skládají atomová jádra a učí se o nich na střední škole. Proton a neutron totiž nejsou elementární částice, každá z nich se skládá ze tří jiných částic – z kvarků. Atomy jsou tedy, když budeme mluvit zcela přesně, tvořeny elektrony a kvarky. Fyzikové sami ale ve většině souvislostí mluví o protonech a neutronech, protože je to skoro vždy praktičtější. Další elementární částice jako mion, gluon, Z boson nebo Higgsův boson jsou pro většinu lidí naprosto exotické.

Zmíněné číslo sedmnáct – počet částic ve standardním modelu – vlastně není úplně správně. Většina částic se totiž vyskytuje ve více variantách, a kromě toho každá má svou antičástici (aby to ale bylo zábavnější, některé jsou samy sobě antičásticí, takže dvakrát sedmnáct také není správně). Antičástice prokazatelně existují všude kolem nás, zdá se ale, že je jich mnohem méně než „našich“ částic. Vesmír je v tomto smyslu asymetrický. Není jasné proč, kdyby takový ale nebyl, neobsahoval by hmotu, jen energii v podobě záření: když se potká částice s antičásticí, anihilují se, stanou se z nich dva fotony.

S neutrinem je to ještě trochu jinak. Standardní model obsahuje hned tři neutrina, lišící se tzv. vůní (v angličtině flavor, tedy spíš „příchuť“ – termín není ani tak důkazem vtipnosti částicových fyziků, jako spíš jejich zoufalství při vymýšlení terminologie, s doslovným významem pojmu samozřejmě nemá nic společného). Neutrina se ale dovedou proměňovat – oscilovat – z jedné varianty v jinou, takže by se asi dal hájit názor, že vlastně existuje jen jedno.

Neutrino je nejlehčí z částic, které nějakou hmotnost mají. (Foton nemá klidovou hmotnost, protože – nebo díky čemuž, obě formulace jsou přijatelné – se pohybuje rychlostí světla, neboť světlem je.) Tím pádem je nejlehčí věcí ve vesmíru. Neutrino váží (za chvíli budeme muset upřesnit, co to slovo v případě částic vlastně znamená) asi milionkrát méně než elektron, který zase váží dvoutisíckrát méně než proton. A ten neváží skoro nic: abyste navážili jeden gram protonů, potřebovali byste jich šest set miliard bilionů neboli šestkrát deset na dvacátou třetí.

První nepřímé pozorování neutrina v roce 1970. Od té doby se počítá a počítá. Foto: Argonne National Laboratory

Existenci neutrina předpověděl Wolfgang Pauli roku 1930. Hypotetickou částici nazval neutronem. O dva roky později James Chadwick objevil do té doby neznámé částice bez elektrického náboje v jádru atomu a nazval je neutrony, protože o Pauliho hypotéze nevěděl. Název se ujal. Italští fyzikové ze skupiny kolem Enrica Fermiho pak překřtili Pauliho částici na neutrino. Jestli v tom slyšíte zdrobnělinu, slyšíte správně, opravdu to je „neutronek“.

Neutrina jsou produktem jaderných reakcí. Základem toho, že svítí Slunce, je jaderná reakce, které se říká proton-protonový cyklus. Při něm se protony (neboli jádra vodíkového atomu) slučují, vznikne dvojproton (jádro atomu deuteria), pozitron a neutrino. Reakce pokračuje dalšími kroky, konečným produktem je helium, neutrina odlétají ze Slunce pryč – a je jich hodně. Opravdu hodně. Na jeden čtvereční centimetr zemského povrchu dopadne každou sekundu 65 miliard neutrin ze Slunce.

Kromě hvězd existují další zdroje neutrin: některá jsou celovesmírnou vzpomínkou na Velký třesk, jiná si dovedeme vyrobit sami v jaderných reaktorech. Vždy jde o nevyhnutelný vedlejší produkt některých typů jaderných reakcí.

Dlouho se zdálo, že neutrino nemá hmotnost, že je v tomto směru stejné jako foton – a teď už musíme zavést pojem „klidová hmotnost“. V makrosvětě je hmotnost to číslo, které ukáže váha. U hodně malých věcí, jako jsou částice, nastávají dva problémy: zaprvé neexistuje tak citlivá váha, zadruhé by nám na ní stejně neposeděly, jsou stále v pohybu. A částice – na rozdíl od nás – pohybem přibírají na váze, často totiž létají tak rychle, že se u nich projevuje nárůst hmotnosti daný speciální teorií relativity, což se musí započítat. Proto se o hmotnostech částic uvažuje trochu jinak než u objektů makrosvěta. Jediným fyzikálním vzorcem, který se kdy ve velkém dostal na trička, je Einsteinův vztah E = m × c². Umožňuje přepočet mezi hmotností tělesa a jeho celkovou energií. A energii (některých) částic na rozdíl od jejich hmotnosti měřit dovedeme. Loňský experiment na zařízení KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) funguje právě na principu měření energie. Zdrojem neutrin v měřicím zařízení je rozpad tritia – radioaktivního izotopu vodíku. Ten je obdobou proton-protonového cyklu ve Slunci, ale je víc po ruce. Vzniká při něm helium, elektron a antineutrino. To vědcům zmizí beze stopy, ale elektron se jim nemá jak schovat – mimo jiné proto, že má elektrický náboj, takže pomocí elektromagnetického pole si ho mohou vodit jako na provázku. Zavedou si ho do velké vakuové komory a tam přesně změří jeho energii. Klíčové slovo je „přesně“; smyslem měření je zjistit, kolik energie z celkové bilance odneslo neutrino, a toto číslo je nesmírně malé, v řádu desetimiliontin.

Proto také tým KATRIN nemůže předložit finální výsledek, jen horní odhad hmotnosti neutrina, daný přesností měřicí aparatury. Činí 0,8 eV/c², čti „osm desetin elektronvoltu lomeno cé na druhou“. Z teorie plyne, že nulovou hmotnost neutrino nemá. Tahle otázka byla vyřešena počátkem našeho století. Takaaki Kadžita a Arthur B. McDonald za to získali roku 2015 Nobelovu cenu. Správná hodnota tedy leží někde mezi nulou a 0,8. Stále se zpřesňuje. Tým KATRIN doufá, že by brzy mohl posunout přesnost svého měření až k 0,2 eV/c². Buď tím neutrino polapí, nebo bude zapotřebí další pokrok.

Pod článkem referujícím o novém měření je podepsáno několik desítek autorů, mezi nimi i čeští vědci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Za upozornění zde stojí, že mnohé z nejlepších výkonů českých vědeckých pracovníků se často jakoby ztratí v těchto velkých mezinárodních projektech. Na domácí scéně se už nevnímají jako „úspěch české vědy“, což je samozřejmě hloupost – právě naopak!