Delenie fyzikov na teoretikov a experimentátorov je v podstate také staré, ako fyzika sama. V celých dejinách tejto vedy sa nájde len veľmi málo ľudí, ktorí dosiahli výnimočné výsledky v obidvoch oblastiach, v teórii aj v experimente. A existuje jeden, ktorý je ešte aj medzi týmito mimoriadne vzácnymi „obojživelníkmi“ považovaný za neobyčajnú raritu – Enrico Fermi.
Z jeho teoretických prác spomeňme aspoň teóriu vzniku neutrín, za ktorú mohol pokojne dostať Nobelovu cenu. Z jeho experimentálnych prác spomeňme aspoň výskum reakcií neutrónov a atómových jadier, za ktorý dostal Nobelovu cenu. Hneď po jej prebratí emigroval v roku 1938 do USA, kde šéfoval tímom, ktoré využili spomínané reakcie na zostrojenie prvého jadrového reaktora aj prvej jadrovej bomby. A práve jadrové bomby a jadrové reaktory umožnili o dve desaťročia neskôr experimentovanie s neutrínami. .reines a Cowan
Podobne ako Fermi, aj mladý Frederick Reines pracoval v Los Alamos na projekte vývoja a výroby jadrovej bomby. Jeho rovesník Clyde Cowan robil počas vojny niečo iné. Venoval sa vývoju radaru v bostonskom MIT a do Los Alamos prišiel až v roku 1949. Spolu s Reinesom sa potom zúčastňovali na testoch jadrových zbraní a pritom si uvedomili, že pri jadrovom výbuchu sa dá popri aplikovanom robiť aj základný výskum.
Pri mnohých jadrových reakciách totiž vznikajú neutrína a antineutrína. Pri jadrovom výbuchu prebehne tých reakcií nesmierne veľa a pritom sa uvoľní obrovské množstvo neutrín a antineutrín. Až toľko, povedali si Reines a Cowan, že by sa možno niektoré z nich dali experimentálne zaregistrovať. A keď s touto myšlienkou súhlasil aj samotný Fermi, pustili sa do práce.
Nápad to bol tak trochu šialený, pretože meraciu aparatúru bolo treba umiestniť čo najbližšie k epicentru explózie (poznámka pre znalcov: počet neutrín a antineutrín prechádzajúcich aparatúrou klesá úmerne druhej mocnine vzdialenosti aparatúry od zdroja). No ale, ako blízko k epicentru sa dá umiestniť akákoľvek aparatúra, ktorá má výbuch vydžať? Reines a Cowan si vďaka svojim skúsenostiam v tejto oblasti dovolili odpovedať na túto otázku tak, ako by si to trúfol naozaj len málokto. Rozhodli sa umiestniť merací prístroj do vzdialenosti štyridsať metrov od veže, na ktorej sa bomba odpaľovala. Naozaj štyridsať metrov, nie je to preklep. Veža bola síce tridsať metrov vysoká a aparatúra mala byť zakopaná v dvadsaťmetrovej hĺbke, takže skutočná vzdialenosť bola okolo 65 metrov, ale aj to je neuveriteľné číslo.
Základom meracej aparatúry mala byť nádoba s obyčajnou vodou. Práve voda mala zachytiť niektoré antineutrína (zachytávanie neutrín nebolo v jej možnostiach). Protón v jadre atómu vodíka (v rámci molekuly vody) sa mal pri záchyte antineutrína premeniť na pozitrón a neutrón, no a ten pozitrón sa mal dať registrovať meracími prístrojmi (poznámka pre znalcov: v skutočnosti sa registroval pár fotónov vznikajúci pri anihilácii pozitrónu s niektorým z elektrónov v molekulách vody). V pôvodnom návrhu experimentu sa nič iné registrovať nemalo. Ale potom dostali Reines s Cowanom skvelý nápad, ktorý im umožňoval aparatúru výrazne vylepšiť.
Základom vylepšenej meracej aparatúry bola nádoba so slanou vodou. Nie bežnou slanou vodou, pretože namiesto kuchynskej soli v nej bola rozpustené istá špeciálna soľ kadmia, ale v podstate to bola slaná voda. Jadrá kadmia veľmi účinne zachytávajú neutróny, a práve vďaka tomu sa dal okrem pozitrónu registrovať aj ten neutrón, ktorý vznikal pri záchyte antineutrína protónom (poznámka pre znalcov: v skutočnosti sa opäť registroval fotón – jadro kadmia sa totiž po záchyte neutrónu dostáva do excitovaného stavu a z neho sa rýchlo vracia do základného stavu vyžiarením fotónu s istou konkrétnou energiou). Táto znanlivá drobnosť znamenala také vylepšenie meracej aparatúry, že odrazu nebol potrebný ako zdroj antineutrín jadrový výbuch, odrazu postačoval aj jadrový reaktor.
Bolo ešte treba prekonať obrovské množstvo technických prekážok, ale nakoniec sa to podarilo. V roku 1956 oznámili Reines a Cowan, že ich experiment registroval antineutrína pochádzajúce z jadrového reaktora. O štyri desaťročia neskôr, v roku 1995, získal Frederick Reines za tento objav Nobelovu cenu. Clyde Cowan ju nezískal a všetci vedia prečo. V polovici intervalu medzi objavom a udelením ceny v roku 1974 totiž zomrel. Niekedy je otáľanie nobelovskej komisie s udelením ceny naozaj nepochopiteľné. .davis a Bahcall
Raymond Davis pracoval počas druhej svetovej vojny v Utahu na testoch účinkov chemických zbraní. John Bahcall mal vtedy necelých desať rokov a pripravoval sa na tenisovú kariéru (neskôr sa stal stredoškolským majstrom štátu Louisiana). V čase, keď robili Reines a Cowan svoj experiment, Bahcall práve končil svoje bakalárske štúdium filozofie, z ktorej postupne presedlával na fyziku. Davis robil v tom čase svoj prvý neutrínový experiment – pri tom istom reaktore, pri ktorom pracovali aj Reines s Cowanom.
Davisov experiment sa od Reines-Cowanovho experimentu líšil v troch zásadných veciach. Po prvé, Davis sa nesnažil registrovať antineutrína, ale neutrína. Po druhé, hlavnou súčasťou jeho aparatúry nebola nádoba s vodou, ale nádoba s bežným čistiacim prostriedkom na báze chlóru. A po tretie, zatiaľ čo Reines a Cowan nejaké antineutrína našli, Davis nijaké neutrína nezaregistroval.
Dôvod bol jednoduchý: v reaktore vznikalo oveľa menej neutrín ako antineutrín. Davis sa však nevzdal a rozhodol sa poobzerať po nejakom intenzívnejšom zdroji neutrín. Jediným dostupným zdrojom sa ukázalo Slnko – v ňom prebiehajúce jadrové reakcie mali potenciál byť dostatočne silným zdrojom neutrín. Na otázku, koľko neutrín vlastne Slnko produkuje, však nebolo ľahké odpovedať. Spoľahlivá teória jadrových reakcií a iných procesov prebiehajúcich v Slnku v tom čase neexistovala a bolo ju ešte len treba vytvoriť.
O vytvorenie a postupné zdokonaľovanie takejto teórie sa v priebehu rokov postaralo niekoľko desiatok astrofyzikov, medzi ktorými jasne dominoval bývalý tenista a filozof John Bahcall. Na základe jeho výpočtov a v spolupráci s ním Davis odhadol, že pomocou dostatočne veľkej nádoby s čistiacim prostriedkom by mal byť schopný zachytiť neutrína prichádzajúce zo Slnka. Pod dostatočne veľkou sa tu myslela naozaj dosť veľká nádoba. V experimente sa nakoniec použil bazén s 380 000 (slovom tristoosemdesiattisíc) litrami čistiaceho prostriedku. Aby sa k tomuto čistiacemu prostriedku nedostalo nič okrem neutrín, bol bazén umiestnený pod zemou v hĺbke jeden a pol kilometra (takú hlbokú dieru však fyzici nekopali, využili už existujúcu zlatú baňu).
Základom čistiaceho prostriedku bol chlór. Jadro chlóru sa po zachytení neutrína premenilo na rádioaktívne jadro argónu a Davis vždy po niekoľkých týždňoch spočítal, koľko jadier argónu mu v bazéne pribudlo (počítal to zaujímavým a rafinovaným spôsobom, ktorého opis by však zrejme išiel v časopise nášho typu za hranicu únosnosti). A zistil, že množstvo argónu, a teda aj neutrín zo Slnka, je asi trikrát menšie, než predpovedali Bahcallove výpočty.
Zo začiatku si ľudia mysleli, že problém je buď v Bahcallových výpočtoch, alebo v Davisových meraniach. Dnes si myslíme, že problém bol v neutrínach. Spoločná práca týchto dvoch skvelých fyzikov odhalila nesmierne zaujímavú povahu neutrín, o ktorej si niečo povieme v budúcom čísle. Dnes už sa obmedzíme len na konštatovanie, že Bahcall a Davis publikovali svoj mimoriadne dôležitý objav diskrepancie medzi teoretickou predpoveďou a nameranými hodnotami prvý raz v roku 1968. O viac ako tri desaťročia neskôr, v roku 2002, získal Raymond Davis za tento objav Nobelovu cenu. John Bahcall ju nezískal a nikto nevie prečo. A už ju ani nikdy nezíska, o tri roky neskôr totiž zomrel. Niekedy je rozhodovanie nobelovskej komisie naozaj nepochopiteľné.
Z jeho teoretických prác spomeňme aspoň teóriu vzniku neutrín, za ktorú mohol pokojne dostať Nobelovu cenu. Z jeho experimentálnych prác spomeňme aspoň výskum reakcií neutrónov a atómových jadier, za ktorý dostal Nobelovu cenu. Hneď po jej prebratí emigroval v roku 1938 do USA, kde šéfoval tímom, ktoré využili spomínané reakcie na zostrojenie prvého jadrového reaktora aj prvej jadrovej bomby. A práve jadrové bomby a jadrové reaktory umožnili o dve desaťročia neskôr experimentovanie s neutrínami. .reines a Cowan
Podobne ako Fermi, aj mladý Frederick Reines pracoval v Los Alamos na projekte vývoja a výroby jadrovej bomby. Jeho rovesník Clyde Cowan robil počas vojny niečo iné. Venoval sa vývoju radaru v bostonskom MIT a do Los Alamos prišiel až v roku 1949. Spolu s Reinesom sa potom zúčastňovali na testoch jadrových zbraní a pritom si uvedomili, že pri jadrovom výbuchu sa dá popri aplikovanom robiť aj základný výskum.
Pri mnohých jadrových reakciách totiž vznikajú neutrína a antineutrína. Pri jadrovom výbuchu prebehne tých reakcií nesmierne veľa a pritom sa uvoľní obrovské množstvo neutrín a antineutrín. Až toľko, povedali si Reines a Cowan, že by sa možno niektoré z nich dali experimentálne zaregistrovať. A keď s touto myšlienkou súhlasil aj samotný Fermi, pustili sa do práce.
Nápad to bol tak trochu šialený, pretože meraciu aparatúru bolo treba umiestniť čo najbližšie k epicentru explózie (poznámka pre znalcov: počet neutrín a antineutrín prechádzajúcich aparatúrou klesá úmerne druhej mocnine vzdialenosti aparatúry od zdroja). No ale, ako blízko k epicentru sa dá umiestniť akákoľvek aparatúra, ktorá má výbuch vydžať? Reines a Cowan si vďaka svojim skúsenostiam v tejto oblasti dovolili odpovedať na túto otázku tak, ako by si to trúfol naozaj len málokto. Rozhodli sa umiestniť merací prístroj do vzdialenosti štyridsať metrov od veže, na ktorej sa bomba odpaľovala. Naozaj štyridsať metrov, nie je to preklep. Veža bola síce tridsať metrov vysoká a aparatúra mala byť zakopaná v dvadsaťmetrovej hĺbke, takže skutočná vzdialenosť bola okolo 65 metrov, ale aj to je neuveriteľné číslo.
Základom meracej aparatúry mala byť nádoba s obyčajnou vodou. Práve voda mala zachytiť niektoré antineutrína (zachytávanie neutrín nebolo v jej možnostiach). Protón v jadre atómu vodíka (v rámci molekuly vody) sa mal pri záchyte antineutrína premeniť na pozitrón a neutrón, no a ten pozitrón sa mal dať registrovať meracími prístrojmi (poznámka pre znalcov: v skutočnosti sa registroval pár fotónov vznikajúci pri anihilácii pozitrónu s niektorým z elektrónov v molekulách vody). V pôvodnom návrhu experimentu sa nič iné registrovať nemalo. Ale potom dostali Reines s Cowanom skvelý nápad, ktorý im umožňoval aparatúru výrazne vylepšiť.
Základom vylepšenej meracej aparatúry bola nádoba so slanou vodou. Nie bežnou slanou vodou, pretože namiesto kuchynskej soli v nej bola rozpustené istá špeciálna soľ kadmia, ale v podstate to bola slaná voda. Jadrá kadmia veľmi účinne zachytávajú neutróny, a práve vďaka tomu sa dal okrem pozitrónu registrovať aj ten neutrón, ktorý vznikal pri záchyte antineutrína protónom (poznámka pre znalcov: v skutočnosti sa opäť registroval fotón – jadro kadmia sa totiž po záchyte neutrónu dostáva do excitovaného stavu a z neho sa rýchlo vracia do základného stavu vyžiarením fotónu s istou konkrétnou energiou). Táto znanlivá drobnosť znamenala také vylepšenie meracej aparatúry, že odrazu nebol potrebný ako zdroj antineutrín jadrový výbuch, odrazu postačoval aj jadrový reaktor.
Bolo ešte treba prekonať obrovské množstvo technických prekážok, ale nakoniec sa to podarilo. V roku 1956 oznámili Reines a Cowan, že ich experiment registroval antineutrína pochádzajúce z jadrového reaktora. O štyri desaťročia neskôr, v roku 1995, získal Frederick Reines za tento objav Nobelovu cenu. Clyde Cowan ju nezískal a všetci vedia prečo. V polovici intervalu medzi objavom a udelením ceny v roku 1974 totiž zomrel. Niekedy je otáľanie nobelovskej komisie s udelením ceny naozaj nepochopiteľné. .davis a Bahcall
Raymond Davis pracoval počas druhej svetovej vojny v Utahu na testoch účinkov chemických zbraní. John Bahcall mal vtedy necelých desať rokov a pripravoval sa na tenisovú kariéru (neskôr sa stal stredoškolským majstrom štátu Louisiana). V čase, keď robili Reines a Cowan svoj experiment, Bahcall práve končil svoje bakalárske štúdium filozofie, z ktorej postupne presedlával na fyziku. Davis robil v tom čase svoj prvý neutrínový experiment – pri tom istom reaktore, pri ktorom pracovali aj Reines s Cowanom.
Davisov experiment sa od Reines-Cowanovho experimentu líšil v troch zásadných veciach. Po prvé, Davis sa nesnažil registrovať antineutrína, ale neutrína. Po druhé, hlavnou súčasťou jeho aparatúry nebola nádoba s vodou, ale nádoba s bežným čistiacim prostriedkom na báze chlóru. A po tretie, zatiaľ čo Reines a Cowan nejaké antineutrína našli, Davis nijaké neutrína nezaregistroval.
Dôvod bol jednoduchý: v reaktore vznikalo oveľa menej neutrín ako antineutrín. Davis sa však nevzdal a rozhodol sa poobzerať po nejakom intenzívnejšom zdroji neutrín. Jediným dostupným zdrojom sa ukázalo Slnko – v ňom prebiehajúce jadrové reakcie mali potenciál byť dostatočne silným zdrojom neutrín. Na otázku, koľko neutrín vlastne Slnko produkuje, však nebolo ľahké odpovedať. Spoľahlivá teória jadrových reakcií a iných procesov prebiehajúcich v Slnku v tom čase neexistovala a bolo ju ešte len treba vytvoriť.
O vytvorenie a postupné zdokonaľovanie takejto teórie sa v priebehu rokov postaralo niekoľko desiatok astrofyzikov, medzi ktorými jasne dominoval bývalý tenista a filozof John Bahcall. Na základe jeho výpočtov a v spolupráci s ním Davis odhadol, že pomocou dostatočne veľkej nádoby s čistiacim prostriedkom by mal byť schopný zachytiť neutrína prichádzajúce zo Slnka. Pod dostatočne veľkou sa tu myslela naozaj dosť veľká nádoba. V experimente sa nakoniec použil bazén s 380 000 (slovom tristoosemdesiattisíc) litrami čistiaceho prostriedku. Aby sa k tomuto čistiacemu prostriedku nedostalo nič okrem neutrín, bol bazén umiestnený pod zemou v hĺbke jeden a pol kilometra (takú hlbokú dieru však fyzici nekopali, využili už existujúcu zlatú baňu).
Základom čistiaceho prostriedku bol chlór. Jadro chlóru sa po zachytení neutrína premenilo na rádioaktívne jadro argónu a Davis vždy po niekoľkých týždňoch spočítal, koľko jadier argónu mu v bazéne pribudlo (počítal to zaujímavým a rafinovaným spôsobom, ktorého opis by však zrejme išiel v časopise nášho typu za hranicu únosnosti). A zistil, že množstvo argónu, a teda aj neutrín zo Slnka, je asi trikrát menšie, než predpovedali Bahcallove výpočty.
Zo začiatku si ľudia mysleli, že problém je buď v Bahcallových výpočtoch, alebo v Davisových meraniach. Dnes si myslíme, že problém bol v neutrínach. Spoločná práca týchto dvoch skvelých fyzikov odhalila nesmierne zaujímavú povahu neutrín, o ktorej si niečo povieme v budúcom čísle. Dnes už sa obmedzíme len na konštatovanie, že Bahcall a Davis publikovali svoj mimoriadne dôležitý objav diskrepancie medzi teoretickou predpoveďou a nameranými hodnotami prvý raz v roku 1968. O viac ako tri desaťročia neskôr, v roku 2002, získal Raymond Davis za tento objav Nobelovu cenu. John Bahcall ju nezískal a nikto nevie prečo. A už ju ani nikdy nezíska, o tri roky neskôr totiž zomrel. Niekedy je rozhodovanie nobelovskej komisie naozaj nepochopiteľné.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.