Neutríno je elementárna častica, patrí medzi leptóny s poločíselným spinom (je teda fermión). Jeho hmotnosť je veľmi malá v porovnaní s väčšinou elementárnych častíc, dlhú dobu sa predpokladala jeho nulová pokojová hmotnosť, posledné experimenty však ukazujú, že je nenulová (pozri Super-Kamiokande). Neutríno nenesie elektrický náboj, nepôsobí naň preto elektromagnetická interakcia. S hmotou interaguje jedine prostredníctvom slabej interakcie a gravitácie.

Pretože účinný prierez neutrína pre slabú interakciu je veľmi malý, neutrína prechádzajú bežnou hmotou takmer bez akejkoľvek reakcie. Napríklad Slnko emituje neutrína s energiou niekoľko megaelektrónvoltov. Ak by sme chceli zadržať polovicu z nich, potrebovali by sme na to blok olova s hrúbkou asi jeden svetelný rok (~10¹⁶m). Detekcia neutrín je teda veľmi náročná a vyžaduje veľmi rozmerné detektory alebo produkciu zväzkov neutrín vysokej energie.

Druhy neutrín

Prehľad neutrín

Fermión	Symbol	Hmotnosť
Rodina elektrónu
Elektrónové neutríno	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	< 2,5 eV
Elektrónové antineutríno	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}\,}$	< 2,5 eV
Rodina miónu
Miónové neutríno	${\displaystyle \nu _{\mu }\,}$	< 170 keV
Miónové antineutríno	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }\,}$	< 170 keV
Rodina tauónu
Tau neutríno	${\displaystyle \nu _{\tau }\,}$	< 18 MeV
Tau antineutríno	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }\,}$	< 18 MeV

V súčasnosti sú známe tri generácie leptónov. Každá z generácii pozostáva z elektricky nabitého leptónu a jemu príslušného neutrína. Ide o elektrónovú, miónovú a tau generáciu, ktoré nesú názov podľa príslušného leptónu v generácii. Neutrínu v danej generácii priradzujeme nasledujúce názvy: elektrónové neutríno ν_e, miónové neutríno ν_μ a tau neutrína ν_τ. Leptóny sa od generácie ku generácii odlišujú pokojovou hmotnosťou, hodnoty pokojových hmotností neutrín v súčasnosti nie sú dostatočne presne určené. Udávané sú len horné hranice.

Experimentálne dáta potvrdzujúce predstavu troch generácii leptónov spočívajú v pozorovaní rozpadu bozónu Z. Táto častica sa môže rozpadať na ktorékoľvek neutríno a jeho antineutríno. Jeho doba života tak závisí od počtu druhov neutrín. Čím viac druhov neutrín, tým viac možností rozpadu a tak aj kratšia doba života. Merania z roku 2001 ukazujú počet typov ľahkých neutrín (hmotnosti < 1 MeV) na 2,984±0,008^[1]. Toto však nevylučuje možnosť sterilného neutrína, a to takého, ktoré by neinteragovalo ani slabou interakciou. Takéto neutríno môže vzniknúť len pri oscilácii neutrín. Ďalším faktom potvrdzujúcim existenciu práve 6 leptónov je, že poznáme práve šesť im zodpovedajúcich kvarkov. Nezvratný dôkaz, že existujú len tri druhy neutrín, však zostáva ťažko splniteľnou úlohou fyziky častíc.

Hmotnosť neutrín

Merania experimentu SNO z roku 2002 preukázali existenciu neutrínových oscilácií. Tieto sú však možné len v prípade, že neutrína z jednotlivých generácií majú rozdielne pokojové hmotnosti. To vedie k potrebe nenulových pokojových hmotností neutrín.

Hmotnosť neutrín sa dá určiť pomocou meraní betaspektier prvkov. Takto bola určená horná hranica pre elektrónové neutríno z beta rozpadu trícia. Premeraním energetického spektra elektrónov pochádzajúcich z tohto beta rozpadu sa podarilo na experimentoch v Mainzi a v Moskve stanoviť hornú hranicu hmotnosti elektrónového neutrína na 2,3 eV. Pripravovaný je experiment KATRIN v Karlsruhe, ktorého rozlišovacia schopnosť môže stlačiť túto hornú hranicu na 0,2 eV. Doterajšie výsledky meraní beta spektier však nemajú takú rozlišovaciu schopnosť, aby na základe nich bola zodpovedaná otázka nenulovej hmotnosti neutrína. Typickým výsledkom týchto meraní je napríklad záporná hodnota kvadrátu hmotnosti neutrína. Napriek tomuto nedostatku sú tieto experimenty schopné stanovovať horné hranice pokojových hmotností neutrín.

Na porovnanie: Elektrón má pokojovú hmotnosť približne 511 keV = 511 000 eV.

Problém solárnych neutrín

Koncom 60. rokov, pozoroval Raymond Davis na Homestake experimente prvýkrát úspešne pozoroval a spočítal solárne neutrína, nezrovnalosti vo výsledkoch vytvorili „problém solárnych neutrín“. Tento problém spočíval v tom, že teoretické predpovede plynúce z predstáv štandardného modelu elementárnych častíc a štadardného modelu slnka predpovedali väčší počet dopadajúcich neutrín na Zem. Nasledujúce merania potvrdili experimentálne dáta Homestake experimentu, oscilácia neutrín však bola v tomto čase len jedným z možných vysvetlení. Merania experimentu SNO viedli v roku 2002 k potvrdeniu neutrínových oscilácii.^[2]

Solárne neutrína majú energiu pod 20 MeV.

Teória neutrínových oscilácii

V roku 1957 v analógii s podobným efektom pozorovaným v systéme neutrálnych kaónov popísal a teoreticky predpovedal Bruno Pontecorvo oscilácie neutrín. Ním vypracovaná kvantitatívna teória bola dokončená v roku 1967. O rok neskôr bol pozorovaný deficit solárnych neutrín. Následne v roku 1969 Gribov a Pontecorvo publikovali známu prácu "Neutrino astronomy and lepton charge".

Maki-Nakagawa-Sakata matica

Solárne a atmosférické neutrínové experimenty preukázali existenciu oscilácii neutrín založených na nezodpovedajúcich si vlastných stavoch veličín vôňa (angl. flavor) a hmotnosť neutrína. Vzťah medzi oboma vlastnými stavmi neutrín môžeme popísať pomocou:

${\displaystyle \left|\nu _{\alpha }\right\rangle =\sum _{i}U_{\alpha i}^{*}\left|\nu _{i}\right\rangle \,}$

${\displaystyle \left|\nu _{i}\right\rangle =\sum _{\alpha }U_{\alpha i}\left|\nu _{\alpha }\right\rangle }$,

pričom:

• ${\displaystyle \left|\nu _{\alpha }\right\rangle }$ je vlastný stav neutrína s danou chuťou α = e (elektrón), ${\displaystyle \mu }$ (muon) alebo ${\displaystyle \tau }$ (tau).
• ${\displaystyle \left|\nu _{i}\right\rangle }$ je vlastný stav neutrína s danou hmotnosťou, jej hodnoty nepoznáme explicitne a preto ich budeme indexovať pomocou i = 1, 2, 3.
• symbol ${\displaystyle {}^{*}}$ značí komplexné združenie

Vyššie uvedené rovnosti môžeme formulovať v maticovom tvare. K tomu stačí písať jednotlivé vlastné stavy hmotnosti neutrína v tvare stĺpcových vektorov a vlastné stavy vône v tvare riadkového vektora. Následne matica ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ je práve Maki-Nakagawa-Sakata matica („MNS matica“, „matica miešania neutrín“, alebo tiež „PMNS matica“, kde P značí Pontecorvo). Táto matica je ekvivalentná CKM matici pre kvarky. V prípade jednotkovej matice (diagonálne členy rovné jednej) by boli vlastné stavy vôní a vlastné stavy pokojovej hmotnosti neutrín zhodné. Experimentálne sa však potvrdilo, že MNS matica nie je jednotková.

V štandardnom modeli elementárnych častíc sa predpokladá existencia troch typov neutrín (tri generácie leptónov), v tom prípade je ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ matica tvaru 3×3. V prípade opisu oscilácie medzi dvoma neutrínami používame maticu ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ tvaru 2×2. Existujú taktiež teórie s tzv. sterilnými neutrínami. Tie používaju matice n×n, pričom n je celé a väčšie ako tri.

MNS matica má tvar:^[3]

${\displaystyle U={\begin{bmatrix}U_{e1}&U_{e2}&U_{e3}\\U_{\mu 1}&U_{\mu 2}&U_{\mu 3}\\U_{\tau 1}&U_{\tau 2}&U_{\tau 3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}c_{12}c_{13}&s_{12}c_{13}&s_{13}e^{-i\delta }\\-s_{12}c_{23}-c_{12}s_{23}s_{13}e^{i\delta }&c_{12}c_{23}-s_{12}s_{23}s_{13}e^{i\delta }&s_{23}c_{13}\\s_{12}s_{23}-c_{12}c_{23}s_{13}e^{i\delta }&-c_{12}s_{23}-s_{12}c_{23}s_{13}e^{i\delta }&c_{23}s_{13}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e^{i\alpha _{1}/2}&0&0\\0&e^{i\alpha _{2}/2}&0\\0&0&1\end{bmatrix}},}$

Používame pritom značenie ${\displaystyle s_{12}=\sin \theta _{12}}$, $$Zdroj:
Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.