Budeme opravdu přepisovat učebnice?  
Před několika dny oběhla svět zpráva, jejímž zdrojem jsou informace z tiskových oddělení dvou amerických universit – Standford University a Purdue University. Trojice fyziků z těchto známých vědecko-vzdělávacích pracovišť odhalila, že rychlost radioaktivního rozpadu některých prvků není zcela konstantní, nýbrž vykazuje záhadné variace. Autoři za podezřelého označili Slunce. Protože tato informace je v rozporu s tím, co se o radioaktivním rozpadu učí ve školách, o vyjádření jsme požádali Vladimíra Wagnera z Oddělení jaderné spektroskopie Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Tak už i do Česka dorazila ze světa zpráva o tom, že neutrina ze Slunce mění poločas rozpadu radioaktivních jader na Zemi. Pročež budeme muset přepsat fyzikální učebnice a data získaná pomocí uhlíkového datování. Jedná se o klasický příklad bulvárního přístupu k popularizaci vědy a je otázka, zda stojí za to se mu seriozně věnovat. Přesto bych chtěl nakonec využít příležitosti, kterou mi Osel nabídl svou žádostí k rozboru tohoto tématu, abych se pokusil malinko osvětlit metodologii vědecké práce i těm, kteří se jí nezabývají. Aby v budoucnu byli schopni realističtěji posoudit právě takové typy zpráv.


Česká zpráva je vlastně zjednodušené, ještě více k expresivní formě posunuté převyprávění zprávy uveřejněné na serveru „Stanford University News“. Na několika dalších serverech, které se v anglickém jazyce zabývají popularizací vědy, vyšly další podobné příspěvky. Vycházely s již zmíněné zprávy a jen ji více či méně modifikovaly.


Než stručně shrnu základní sdělení zmíněných příspěvků, chtěl bych ještě vyjasnit jednu důležitou věc. Velice si vážím, že se v tisku i na internetu objevují články popularizující vědecké výsledky a poznání. Že existují servery, které se tím zabývají. Právě v současné době to považuji za životně důležité. Je mi jasné, že v okamžiku, kdy redaktor či jiný přispěvatel musí zajistit téměř každodenní frekvenci zpráv, nemůže mít znalosti ani časové možnosti, aby byl schopen uhlídat všechny omyly a nesmysly. Je mi jasné, že příspěvky musí být srozumitelné a zajímavé pro velkou skupinu čtenářů. Nelze se tak vyhnout značnému zjednodušování i jisté míře „vulgarizace“. Zdá se mi však, že autoři v některých mediích jsou v honbě za počtem čtenářů tlačeni k téměř každodenním zprávám typu „největší objev“, „záchrana pro lidstvo“, „zkáza pro lidstvo“ či „přepsání učebnic“. U laické veřejnosti se tak vytváří dojem, že vědecké poznání jsou neustálé zvraty, obrovské objevy, či propadáky, revoluce a přepisování učebnic. Opak je však pravdou. Velké zlomové objevy nepřicházejí často a většinou jsou založeny na dlouhodobém, mravenčím a velice trpělivém zkoumání, které cestu k nim připravuje.


Účelem tohoto mého článku není odradit někoho od psaní o vědě. Jen bych prosil o to, aby se při psaní více dbalo o serióznost a větší zdrženlivost. A více se kontrolovalo to, o čem se píše.

 

Zvětšit obrázek
Ovlivňuje Slunce průběh radioaktivního rozpadu na Zemi? Zdroj:SOHO

Co se tedy ve zmíněných příspěvcích píše?

V českém příspěvku se píše, že bude potřeba přehodnotit radioizotopové datování a přepsat učebnice geologie a paleontologie, protože vědci z universit ve Stadfordu a v Purdue zjistili, že se v létě rozpadají radioaktivní prvky hůře než v zimě. Navíc se prý při sluneční erupci snižuje u radioaktivního vzorku jeho aktivita, tedy počet rozpadů za časovou jednotku. A to 36 hodin před tím, než na Zemi doletí částice z erupce. Jako zdroj těchto vlivů se označují sluneční neutrina. V zahraničních zprávách, ze kterých český text vychází, se navíc objevují další informace. Zmiňují se o dalších údajně pozorovaných variacích v rozpadech radioaktivních prvků se zhruba měsíční periodou. Přesněji jde o periodu přibližně 33 dnů. To je číslo sice blízké, ale přesto odlišné od rotační periody povrchu Slunce (ta je 28 dní). Jeden ze zmíněných vědců Peter Sturrock to vysvětluje tím, že se jedná o rotaci vnitřních částí Slunce, kde probíhají jaderné reakce a vznikají neutrina, která má být podle něho odlišná. Je zde také uvedeno, že autoři hypotézy o slunečním původu nepracovali s vlastními daty, ale využívali data naměřená dvěma jinými týmy v USA a jednoho v Německu. Původní autoři přisuzovali sezónní změny přístrojovým chybám. Vlastní bylo pouze pozorování korelace mezi sluneční erupcí a rozpadem radioizotopu 54Mn, které bylo uskutečněno na Universitě v Purdue.

Zvětšit obrázek
V roce 2008 Jenkins a kol. zveřejnili graf, který naznačuje, že radioaktivní rozpad křemíku 32Si a radonu 226Ra není zcela konstantní, ale nepatrně se mění v závislosti od vzálenosti od Slunce.

 

Pokud se podíváme na práce P. Sturrocka ze Stanfordu a J. H. Jenkinse a E. Fischbacha z Purdue (arXiv:1006.4848, arXiv:1007.0924v1, arXiv:1007.3318v1, Nuclear Instruments and Methodes in Physics Research A620(2010)332), na kterých jsou popularizační příspěvky založeny, dozvíme se řadu dalších důležitých informací. Je třeba hlavně konstatovat, že tyto texty jsou formulovány daleko střízlivěji než texty popularizační. Podívejme se na měření, na kterých je hypotéza o vlivu Slunce na rozpad radioaktivních prvků na Zemi založena. Podstatné je, že ve všech případech jsou variace na úrovni v řádu desetin procenta. Tedy na hranici citlivosti použitých experimentálních zařízení. Měření měla navíc jiné cíle, než pozorování sezónních změn aktivity. Původní autoři měření přisoudili pozorované variace přístrojovým vlivům a v jejich analýze nepokračovali. Problém je, že tak chybí možnost prostudovat všechny vlivy, které na konkrétní experimentální zařízení mohly působit.


První data byla získána při měření poločasu rozpadu radioaktivního jádra 32Si v BNL (USA) a publikována v roce 1986. K měření se využíval plynový proporcionální čítač aktivity. Studované jádro se rozpadá přeměnou beta mínus a má poločas rozpadu 150 let. Jako kalibrační zdroj pro porovnání se používal radioaktivní zdroj 36Cl, který se může rozpadat všemi třemi typy rozpadu beta a jeho poločas rozpadu je 301 tisíc let. Druhá série dat pak byla získána v Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) v Německu při testech stability detektoru pomocí měření rozpadu 152Eu, 154Eu a 226Ra. Využívala se standardní vysokotlaká ionizační komora, Model IG12 produkovaný firmou 20th Century, a publikována byla v roce 1994. V tomto případě byly sezónní variace zjištěny u pozorování rozpadu jádra 226Ra. Toto jádro se rozpadá alfa rozpadem s poločasem rozpadu 1600 let a stojí na počátku řady rozpadů, ve které se vyskytují hlavně rozpad alfa ale také rozpady beta mínus. Poslední data byla převzata z analýzy Children’s Nutrition Research Center v Houstonu publikované v roce 1990 a ukazující sezónní změny pravděpodobnosti rozpadu u izotopu 56Mn, který se přeměňuje rozpadem beta mínus a jeho poločas rozpadu je 2,578 hodiny. Na závěr této části bych ještě uvedl, že 54Mn, u kterého vědci z Purdue pozorovali ovlivnění sluneční erupcí, se rozpadá všemi třemi typy rozpadu beta a jeho poločas rozpadu je 312 let. Důvodem, proč jsem tak podrobně uvedl všechny studované radioizotopy a vlastnosti jejich rozpadů, je ukázat, že jak typ rozpadu, tak hlavně poločasy rozpadu jsou u nich velice různorodé. Jak se zmíním později, je to okolnost, která podle mého názoru vylučuje, aby za prezentovanými sezónními změnami stály sluneční neutrina.

Zvětšit obrázek
Standardní polovodičový detektor gama pro měření radioaktivního rozpadu (Zdroj: Universita Leipzig)

 

Jak je to se stabilitou poločasu radioaktivního rozpadu?

To, že není poločas rozpadu radioaktivních jader alespoň v některých případech konstantou a lze je ovlivnit chemickými či fyzikálními vlastnostmi prostředí, se ví. Musí se však vytvořit velice specifické podmínky a týká se to jen některých specifických typů rozpadů. Jde tedy o velice speciální a výjimečnou záležitost. To je důvod, že ve většině popularizačních článků a knih se píše, že pro dané jádro nelze poločas rozpadu změnit. Na druhé straně však může být taková změna poločasu rozpadu velice drastická. Pro jádro, které normálně má relativně velice krátký poločas rozpadu, můžeme vytvořit takové podmínky, že se může stát i stabilním.


Pro možnost ovlivnění poločasu je podstatné, o jaký typ rozpadu se jedná. Protože se nám znalosti jednotlivých typů jaderných rozpadů budou hodit i pro další výklad, dovolím si je připomenout. Prvním je rozpad alfa. V tomto případě se jádro rozpadne na částici alfa, což je jádro helia, a jádro, které má o dva protony a dva neutrony méně než jádro původní. V tomto případě si nedokážeme představit, jak by mohla neutrina radioaktivní rozpad těchto jader ovlivnit.


Druhým typem rozpadu je rozpad beta. V tomto případě se buď jeden neutron v jádře přemění na proton, nebo jeden proton na neutron. V prvním případě mluvíme o rozpadu beta mínus a dochází při něm k vytvoření elektronu a elektronového antineutrina. V druhém případě může rozpad beta probíhat dvěma způsoby. Pokud je dostatek energie k produkci pozitronu, produkuje se pozitron a elektronové neutrino a mluvíme o rozpadu beta plus. Další možností je, že si jádro pomocí elektromagnetického pole „sáhne“ do elektronového obalu atomu a jeden elektron si vezme. Tím přemění jeden proton na neutron a vyprodukuje se pouze elektronové neutrino. Daný typ rozpadu beta se označuje jako elektronový záchyt. Rozpad beta vlastně není ve skutečnosti rozpad. Částice, které při něm vyletují, v jádře nebyly, ale nově vznikly. Proto by bylo korektnější používat označení přeměna beta. Z historických důvodů je však označení rozpad beta zavedené a běžně se užívá. Rozpad beta lze elektronovými neutriny nebo antineutriny v principu ovlivnit, jak si blíže popíšeme později.


Posledním typem rozpadu, o kterém se zmíníme, je rozpad gama (lépe přeměna gama). Při něm dochází k tomu, že jádro s přebytkem energie se jí zbavuje vyzářením fotonu gama nebo tzv. konverzního elektronu. V posledním případě dojde k tomu, že jádro předá prostřednictvím elektromagnetického pole energii elektronu v atomovém obalu a ten vyletí jako zmíněný konverzní elektron.


Změnit lze poločasy radioaktivních rozpadů gama a u beta v případě, že probíhá formou elektronového záchytu. V tomto případě je totiž do radioaktivního rozpadu zapojen i elektronový obal atomu. A ten můžeme pomocí fyzikálních a chemických změn prostředí ovlivnit.

Zvětšit obrázek
Jak by měla sluneční neutrina zvyšovat míru radioaktivního rozpadu.

 

V případě rozpadu gama se vlivem chemické vazby mění vazebná energie elektronů, kterým jádro předá svoji přebytečnou energii. Výsledný konverzní elektron tak má jinou energii než v případě volného atomu. Přesným změřením energie konverzního elektronu se tak dá testovat, v jaké chemické vazbě radioaktivní jádro je. Tato změna vazby elektronu ovlivňuje i pravděpodobnost příslušného přechodu gama. Ale jen velmi málo. Zajímavější je z tohoto hlediska rozpad beta.


Uvedli jsme si, že v případě beta rozpadu prostřednictvím záchytu elektronu z obalu ovlivňuje opět pravděpodobnost tohoto procesu energie vazby elektronů v atomu, kterou můžeme změnit pomocí chemické vazby. Tyto změny jsou velmi malé, protože většina rozpadů pomocí záchytu elektronu probíhá prostřednictvím elektronů z vnitřních slupek. Naopak chemická vazba ovlivňuje vnější valenční elektrony. Daleko větší vliv má, pokud budeme radioaktivní atom ionizovat. Pokud je ionizace vysoká a atomu se odeberou i vnitřní elektrony, může se poločas rozpadu prodloužit i velmi drasticky. V extrémním případě, kdy bude ionizace úplná a u daného jádra nemůže probíhat rozpad s vytvořením pozitronu, ale pouze elektronovým záchytem, bude jádro stabilní a poločas rozpadu bude nekonečný. Úplná ionizace však nastává jen v extrémních prostředích a situacích, například v některých specifických oblastech vesmíru s vakuem a s extrémně malou hustotou elektronů. V určitých specifických případech se tedy poločas rozpadu některých radioaktivních jader změnit dá.


Jak je to s datováním pomocí uhlíku 14C

Abychom zjistili, jestli mohou předkládané výsledky opravdu ovlivnit přesnost datování třeba archeologických nálezů pomocí izotopu uhlíku 14C, připomeňme si základní principy a fyzikální jevy, které za touto metodou stojí. Izotop uhlíku 14C má poločas rozpadu 5730 let. Vzniká interakcí protonů a jader kosmického záření s jádry v zemské atmosféře. Dominantním jeho zdrojem je kosmické záření přilétající z mezihvězdného prostoru, které má vyšší energii než kosmické záření ze Slunce. Intenzita tohoto záření dopadajícího do zemské atmosféry se mění v závislosti na aktivitě Slunce. Pokud je vysoká, vytlačuje kosmické záření z vně Sluneční soustavy a to se dostane k Zemi v menší intenzitě. Změny tak mají jedenáctiletou periodu, stejně jako je perioda sluneční aktivity. V maximu sluneční činnosti dopadá kosmického záření do atmosféry s minimální intenzitou a v minimu s maximální. Jak je vidět v obrázku v článku o kosmickém záření a ochraně před ním, je rozdíl v intenzitě v době minima a maxima zhruba čtyřnásobný. Vzhledem k tomu, že poločas rozpadu uhlíku 14C je o několik řádů větší než zmíněná jedenáctiletá perioda, množství uhlíku 14C se v atmosféře s touto periodou nemění. To ovšem znamená, že ještě kratší (roční) periody změn se neprojeví také. Navíc, když změny naznačované v diskutovaných článcích jsou daleko menší, na úrovní jednoho nebo dokonce zlomku procenta. Jen pro úplnost bych doplnil, že sluneční činnost má i dlouhodobější periody. Ty už se na množství uhlíku 14C projeví. Jak se měnilo množství izotopu uhlíku 14C v atmosféře během posledního tisíce let, je ukázáno na Oslovi v tomto článku. S uvedeného obrázku je také vidět, že změny jsou do 3%, tedy mnohem větší než změny v námi posuzovaných příspěvcích. Pokud chceme měření při datování provádět přesněji, je třeba při jejich analýze udělat korekci na popsaný jev.


Je tedy vidět, že množství uhlíku 14C nemůže být jevem popisovaným v diskutovaných článcích ovlivněno. Co když ale bude ovlivněno měření uhlíku 14C? Tam je zásadní, že změny intenzity radioaktivního rozpadu zmiňované v článcích jsou velmi malé, na úrovní desetin procenta a méně. Navíc, pokud se udělá více měření v různých ročních obdobích a spočte se z nich průměr, efekt se ještě zmenší. To, že efekt musí být velmi malý a na hranici citlivosti standardních přístrojů, je jasné. Pokud by byl větší, tak by si laboratoře provádějící datování všimly, že mají jiné výsledky v zimě a jiné v létě. Hlavně pro ty nejstarší měřené vzorky není navíc určováno množství uhlíku 14C z jeho radioaktivního rozpadu, ale pomocí hmotnostní spektroskopie. Tedy pomocí počítání jader 14C ve vzorku. A tato měření nejsou variacemi radioaktivního rozpadu ovlivněna. Podrobněji o využití izotopu uhlíku 14C pro datování archeologických objektů jsem už na Oslovi psal v článku o využití jaderných metod pro zachování kulturního dědictví.


Protože jiné radioizotopy využívané pro radioaktivní datování mají poločasy rozpadu většinou delší a to i značně, vliv efektů popsaných v diskutovaných článcích, i kdyby byly reálné, výsledky při jejich využití neovlivní. Je tedy vidět, že radioaktivní datování není ohroženo a v tomto směru se určitě učebnice přepisovat nebudou.

Zvětšit obrázek
Jedna s laboratoří atomové hmotnostní spektrometrie, kde se provádí i datování pomocí radioaktivního uhlíku. V tomto případě se neměří aktivita, ale porovnává se počet jader jednotlivých izotopů uhlíku.

 

Jak by mohla neutrina radioaktivní rozpad ovlivnit?

Podívejme se na to, jak mohou podle současných znalostí ovlivňovat neutrina radioaktivní rozpad. Pro Osla jsem psal rozsáhlý cyklus o neutrinech, takže jeho čtenáři ví, že elektronová neutrina a antineutrina dokáží měnit jedno jádro na druhé. Vždyť třeba první detekce neutrin ze Slunce se uskutečnila pomocí reakcí, při kterých bylo stabilní jádro chlóru přeměňováno na radioaktivní argon. Je pochopitelné, že neutrina mohou interagovat i s radioaktivními jádry. V případě, že budeme mít rozpad beta mínus, může jádro místo přeměny za vzniku elektronu a antineutrina zachytit neutrino a v tomto případě vzniká pouze elektron. V případě rozpadu beta plus může místo rozpadu za vzniku pozitronu a neutrina jádro zachytit antineutrino a vzniká pak pouze pozitron. Výhodou je, že tyto reakce neutrin s radioaktivními jádry probíhají i v případě, když se energie neutrina blíží nule.


Proč tedy takové změny způsobené slunečními neutriny nepozorujeme? Vysvětlení je právě ve velice malé pravděpodobnosti interakce neutrin. Připomenu první experiment Raymonda Davise detekující sluneční neutrina, který je popsán v druhém článku cyklu o neutrinech. Použil 378 000 litrů tetrachlorethénu a přesto v nich sluneční neutrina způsobila je několik přeměn chloru na argon denně. Radioaktivní vzorky, které se používají v experimentech, kterými se zabýváme, mají objemy v řádu mililitrů a probíhá v nich většinou mnohem více než několik rozpadů za sekundu. Počet radioaktivních jader, které se rozpadnou přirozeným způsobem, je tak o mnoho řádů větší než počet přeměn iniciovaných slunečními neutriny. Ten je vůči nim zanedbatelný.


O mnoho řádů více než neutrin slunečních by mělo být neutrin reliktních, která pocházejí z počátků našeho vesmíru. Ovšem reliktní neutrina mají extrémně malou energií. Proto se je zatím detekovat nepodařilo. Jak jsme však zmínili v úvodu této části, v případě přeměny radioaktivního jádra to nevadí. Tam může být reakce (v daném případě rozpad radioaktivního jádra) iniciován i neutrinem s extrémně malou energií. Navíc jsou mezi reliktními neutriny elektronová neutrina i antineutrina, zatímco ze Slunce vylétají dominantně elektronová neutrina. I přes to, že je jich daleko větší množství, ani vliv reliktních neutrin na radioaktivní rozpad pozorován nebyl. I u nich by měl být zanedbatelný.


Pokud by tedy měla být za pozorováními v diskutovaných článcích neutrina, nedovedu si představit, jak by se vysvětlilo, proč pravděpodobnost reakcí neutrin s jádry, které jsou využívány k jejich detekci jsou tak malé a pravděpodobnosti reakcí s radioaktivními prvky naopak o mnoho řádů vyšší, aby mohla způsobit popisovaný efekt. A také proč nepozorujeme vliv reliktních neutrin na radioaktivní rozpad, když je jich o mnoho řádů více než slunečních? Další těžko vysvětlitelnou věcí je, jak by neutrina ze Slunce mohla ovlivnit rozpad alfa nebo beta plus. Rozpady iniciované neutriny ze Slunce by měly větší vliv (jejich relativní poměr by byl větší vůči přirozeným rozpadům) u izotopů s dlouhým poločasem rozpadu a tam bychom je měli větší šanci pozorovat. Proto je dost podezřelé, že v rozebíraných článcích jde o radioizotopy s velice širokým rozpětím poločasů rozpadu.

Zvětšit obrázek
Ovlivňují sluneční erupce průběh radioaktivního rozpadu na Zemi? (Zdroj NASA)

 

Slunce, jaderné reakce, neutrina, fotony a erupce

O tom, jak neutrina v jaderných reakcích ve Slunci vznikají, jsem na Oslovi v cyklu o neutrinech psal. Tyto reakce probíhají zhruba jen v jednom procentu té nejvnitřnější části objemu Slunce a produkují se v nich téměř výhradně elektronová neutrina, jen v malém množství také elektronové antineutrino. Zatímco pro neutrina nepředstavuje hmota Slunce žádnou překážku a rychlostí světla Sluncem proletí a vydají se třeba k Zemi. Fotony neustále interagují s hmotou a jejich cesta k povrchu Slunce trvá zhruba 40000 let.


Počet slunečních neutrin dopadajících na jednotku povrchu Země se mění se vzdáleností Země od Slunce, přesněji s rostoucí vzdáleností klesá s jejím čtvercem. Protože v zimě (na severní polokouli) je Slunce blíže, je v té době neutrin ze Slunce na Zemi více a v létě pak méně. Vliv tohoto jevu je dobře patrný i ve výsledcích detektorů, které sluneční neutrina pozorují. Takže z tohoto ohledu by sluneční neutrina vysvětlením sezónních změn být mohla. Problém však nastane při zmíněných 33 denních variacích. Rotaci slunečního povrchu (fotosféry) můžeme pozorovat pozorováním pohybu slunečních skvrn, tedy díky tomu, že prostorové rozlišení v optickém oboru je velmi dobré. Prostě vidíme i malé detaily a jejich pohyb. Rotace by se dala pozorovat i ve změnách celkové intenzity, která se mění, když velká skvrna zajde za obzor, je na opačné straně Slunce a není vidět. Tak se například dají určit rotace některých hvězd. Citlivost ke směru příletu neutrina je pro jejich reakce minimální, takže naše radioaktivní vzorky nemohou „pozorovat“ na Slunci detaily o rozměru zlomků jeho poloměru. Celková intenzita neutrin se však rotací Slunce měnit nemůže. Neutrina procházejí hmotou Slunce bez pohlcení, takže v neutrinovém okně pozorujeme stejnou intenzitu, ať už bude místo s menší produkcí neutrin na straně přivrácené k Zemi nebo na té odvrácené. Jistou možnost by sice představoval vliv prostředí na průběh oscilací a tedy množství elektronových neutrin, které se vydají k Zemi. Ale to by představovalo dost exotické požadavky na strukturu vnitřních oblastí Slunce. Podle mého názoru se tak rotace Slunce v toku neutrin s největší pravděpodobností projevovat nebude.


V diskutovaných článcích se jako jeden z důkazů, že má Slunce vliv na průběh radioaktivního rozpadu na Zemi, uvádí údajné pozorování J. H. Jenkinse a E. Fischbacha z Purdue university korelace mezi erupcí 13. prosince 2006 a snížení počtů rozpadů jádra 54Mn. Pokud ovšem budeme za prostředníka vlivu na radioaktivní rozpad považovat neutrina, dostáváme se do problémů. Neutrina z nitra Slunce vyletí hned. Energii, která by se transportovala z nitra a mohla mít vliv na vznik erupce, by transport k místu erupce trval zmíněných zhruba 40000 let. Pokud by tedy měla mít erupce nějaký vliv na radioaktivní rozpad na Zemi prostřednictvím neutrin, musela by to být neutrina produkovaná samotnou erupcí a ne neutrina ze slunečního nitra. Je sice pravda, že i při erupci probíhají jaderné reakce a vznikají neutrina. Jejich množství je však o mnoho řádů menší než je počet neutrin z nitra Slunce. Jejich vliv by se v pozadí vlivu neutrin ze slunečního středu spolehlivě ztratil. Další problém je, že erupce by měla počet neutrin zvýšit a zmínění autoři pozorovali snížení počtu rozpadu jader 54Mn. Podle mého názoru je podezřelých okolností v daném měření příliš a navíc jde o pozorování pouze jediné erupce. Seriozně z toho opravdu nelze nic vyvozovat.


Problém při měření hmotnosti neutrina z rozpadu tritia

Pro dokumentování toho, jak náročné je nalezení všech přístrojových efektů při měřeních, bych si dovolil zmínit jednu epizodu ze zkoumání neutrin. Konkrétně se jedná o měření hmotnosti neutrina pomocí rozpadu tritia. Využívá se při něm toho, že při rozpadu vzniká elektron a antineutrino. Každá z těchto částic odnáší část energie, která se rozpadem uvolní. Pokud by klidová hmotnost neutrina byla nulová, není potřeba žádná energie na vytvoření této částice a mohou nastat případy, kdy elektron získá veškerou energii rozpadem uvolněnou. Pokud je klidová hmotnost neutrina nenulová, musí se energie nutná pro produkci této hmotnosti z energie uvolněné v rozpadu vždy odebrat. Elektron tak bude vždy o tuto energii ochuzen. Pozorujme závislost počtu elektronů vyzářených v beta mínus rozpadu na jejich energii. Pokud ji zobrazíme ve specifickém Kurieho grafu, bude tato závislost pro největší energie elektronu, kdy přebírá téměř veškerou v rozpadu uvolněnou energii, lineární (viz obrázek). Pokud bude klidová hmotnost neutrina nulová, bude lineární až do maximální hodnoty. Pokud klidová hmotnost neutrina nulová nebude, bude závislost zahnutá a předčasně ukončená. Prostě vždy se musí část energie spotřebovat na produkci této hmotnosti. Hmotnost neutrina je však extrémně malá, takže potřebujeme měřit energie elektronů s extrémní přesností. Je třeba ještě poznamenat, že nelze s dostatečnou přesností určovat absolutní hodnotu energie elektronů, ale v popisovaných experimentech se určuje pouze tvar zmíněné závislosti. V Kurieho funkci navíc nevystupuje hmotnost neutrina, ale její kvadrát. Z tvaru této závislosti tak určíme kvadrát hmotnosti neutrina.

 

Zvětšit obrázek
Závislost počtu elektronů na jejich energii v Kurieho zobrazení.

Zatím nejpřesnější měření elektronového spektra z rozpadu tritia za účelem určení hmotnosti neutrina proběhla v devadesátých letech v Mainzu a Troicku. Zajímavé je, že nebylo pozorováno useknutí Kurieho závislosti na jejím konci, ale naopak malý hrb. Tedy, jako by byl kvadrát hmotnosti neutrina záporný.


I v tomto případě se nabízelo vysvětlení tohoto jevu buď přístrojovými efekty nebo nějakými novými hypotetickými vlastnostmi neutrin. Je třeba znovu zdůraznit, že se jedná o extrémně citlivá měření a analýza veškerých přístrojových vlivů je velmi náročná. To však platí i v námi diskutovaných případech vlivu Slunce na radioaktivní rozpad. Proto se experimentální skupiny zaměřily na analýzu všech možných vlivů experimentálního uspořádání na přesnost měření. Tato intenzivní analýza trvala řadu měsíců.


Než se však na její výsledky podrobněji podíváme, popišme si, jaké možnosti nabídly teoretické úvahy rozebírající možné exotické vlastnosti neutrin. První navrženou možností byl vliv reliktních neutrin. Jak jsem už psal, při záchytu reliktního neutrina se veškerá energie rozpadu předá elektronu a případy záchytu reliktního neutrina by tvořila zmíněny hrbolek v Kurieho grafu. Aby se pozorování vysvětlilo, musel by být o mnoho řádů vyšší počet reliktních neutrin nebo pravděpodobnost reakcí neutrin s extrémně nízkou energií než se předpokládá, ale to se úplně vyloučit nedalo. Tuto možnost mohl podporovat i náznak periodických ročních změn ve velikosti hrbolku, který byl pozorován v Troicku. Ty by mohly být způsobeny tím, že v jedné části roku se Země pohybuje proti směru pohybu pole reliktních neutrin a v druhé v směru stejném. Další navrhovanou hypotézou bylo, že neutrina jsou tachyony, tedy částice s rychlostí větší než je rychlost světla. I v tomto případě bychom mohli dostat Kurieho graf s hrbolkem na konci. Podrobněji jsem tuto hypotézu rozebíral zde. A nemusím zdůrazňovat, že právě tyto hypotézy se prohnaly popularizačními texty, na rozdíl od nezáživných rozborů přístrojových efektů, ke kterým se dostanu nyní.


Zaměřím se na situaci v Mainzu, kde se podařilo identifikovat zdroj tvaru konce Kurieho závislosti do úplného detailu. Experimenty v Mainzu a Troicku se částečně lišily a rozdíly byly i u přístrojových vlivů na konec zmíněné závislosti. V Mainzu se jako radioaktivní zdroj používalo tritium namrzlé ve velmi tenounké vrstvičce na podložku, která se udržovala na teplotě 4 K. Nepatrná tloušťka vrstvičky měla na minimum snížit pravděpodobnost, že elektron vznikající v rozpadu tritia bude interagovat s atomy vrstvičky a ztratí energii. V namrzlém filmu se tritiové atomy nacházely v molekulárním stavu a příslušné molekuly se mohly vyskytovat v různých rotačních stavech. Pomocí modelů těchto molekul se počítaly energie těchto stavů a ztráty energie elektronů způsobené energií vazby v molekule. Mezi přístrojové vlivy, které kandidovaly na vysvětlení zvláštního průběhu Kurieho závislosti, tak byly i tyto dvě možnosti: První byla, že z nějakého důvodu byla vrstvička namrzlého tritia tlustší, než se předpokládalo. Druhou pak, že existuje nějaká další rotační hladina v molekule tritia, která nebyla do modelových výpočtů zahrnuta.

Když se provedly výpočty vlivu různé tloušťky vrstvičky tritia a analyzovalo započtení nového rotačního stavu molekuly s přesně danou energií, ukázalo se, že obě tyto hypotézy dovedou objasnit pozorovaný jev. Která z nich je správná a zda případně alespoň některá, však mohlo rozhodnout jen nové měření a podrobnější analýza. Při ní se ukázalo, že žádná nová rotační hladina neexistuje a původní modelové výpočty byly v pořádku. Naopak se zjistilo, že tloušťka vrstvy tritia byla opravdu větší. Ukázalo se, že tenká vrstva je z energetického hlediska nevýhodná a při teplotě 4 K dochází k jejímu relativně rychlému narušení a pronikání tritia do podložky. Dostaneme tak nehomogenní vrstvu, kde docházelo k tomu, že některé elektrony ztrácely energii při průchodu materiálem a přispívaly tak ke vzniku pozorovaného hrbolku. Plně se to potvrdilo, když se podložka radioaktivního vzorku ochladila ještě na nižší teplotu 2 K. V tomto případě se průběh narušení tenké namrzlé vrstvy zpomalil natolik, že se vrstvička udržela po potřebnou dobu měření a přístrojový efekt ovlivňující průběh Kurieho grafu se odstranil.


Úskalí popularizace vědeckých výsledků

Na tomto příkladu jsou vidět úskalí v popularizaci. Zatímco o možnosti, že neutrina jsou tachyony, si v popularizačních článcích přečetla řada lidí, podrobný rozbor toho, že ve skutečnosti šlo o přístrojový efekt už jen minimum. Informaci o tom, že se budou měnit učebnice s datováním pomocí radioizotopů, si přečte velký počet čtenářů, až sem, k těmto řádkům se prokouše jen malé procento. Každý vysvětlující rozbor možných příčin je zákonitě příliš dlouhý, příliš náročný a málo přitažlivý oproti prosté větě „Budeme měnit učebnice“. Je také na psaní mnohem náročnější i časově. Proto se na řadu podobných popularizačních příspěvků ani reakce neobjeví.

Problém je, že laikové si většinou neuvědomují, že každé měření má svou nejistotu. A právě určení všech nepřesností (statistických a systematických chyb) je tou nejnáročnější věcí. A diskuze o rozhodujících fyzikálních výsledcích se bez intenzivního rozboru příslušných odborných článků a těchto nejistot neobejde. Na Oslovi jsem už jednou zabředl do diskuze o měření obsahu oxidu uhličitého v atmosféře. Zatímco podrobnější povídání o tom, jak se oxid uhličitý měří, četlo dost lidí (i když méně než bylo čtenářů článku o tom, jací jsou vědci pracující v této oblasti podvodníci, na který jsem reagoval :-) ), podrobnější rozboru nepřesností měření i s citací příslušné literatury, který pak byl reakcí na diskuzi, už moc lidí nečetlo. Pochopitelně, to už není ani atraktivní a ani příliš čtivé.


Nedělám si iluze o čtivosti tohoto příspěvku, přesto doufám, že alespoň pro některé čtenáře bude inspirací k tomu, aby k některým tématům, které se objevují v popularizačních článcích o vědeckých objevech, přistupovali opatrně a s rezervou. Je třeba si uvědomit, že pokud má objev měnit učebnice, musí být pro něj velice silné experimentální důkazy. Čím neočekávanější jev, tím silnější a početnější experimentální potvrzení je potřeba.

 

Závěr

Na závěr bych si dovolil shrnout. Hypotetické změny v radioaktivním rozpadu, které se diskutují v rozebíraných článcích, jsou natolik malé (desetiny procenta) a mají takovou periodicitu (roční), že nemají vliv na datování pomocí radioizotopů. Vliv slunečních erupcí na radioaktivní rozpad na Zemi nelze vyvozovat z pozorování jedné jediné erupce. Také hypotéza sezónních změn v radioaktivním rozpadu je postavena pouze na třech pozorovacích řadách. Navíc byla tato měření určena pro jiné účely a zkoumané radioizotopy mají velmi rozdílné vlastnosti. Pokud by měly za popsanými jevy stát neutrina, musela by mít dosud neznámé a velmi neobvyklé vlastnosti. S největší pravděpodobností tak budou za pozorovanými efekty přístrojové vlivy, jak se domnívali vědci, kteří experimenty původně provedli.



Zdroje: Stanford University News , Purdue University News

Datum: 08.09.2010 14:57
Tisk článku


Diskuze:

Bishop Brucholett,2011-03-06 17:52:06

Taky jsem velmi vděčný za popularizaci vědy a rovněž za tento server. Jen bych chtěl poznamenat, že právě kvůli podobným článkům (a že je jich tam velmi mnoho) jsem asi po 20 letech předplatné VTM zrušil.

Odpovědět

Hlavni je zpetna vazba

Petr Habala,2010-09-12 13:40:51

Ja bych rozlisoval dve urovne. Jedna je, kdyz napriklad v jistem clanku o letadle byla na prvnich dvou stranach v kazdem odstavci chyba, naprosty nesmysl, ktery ukazoval, ze autor o letadlech nevi vubec nic. V takovem ripade by poctivy autor dal svuj clanek alespon nekomu precist, napriklad na leteckych forech by mu umyli hlavu s radosti a zdarma.

Na druhe strane kazdy muze mit malou slabsi chvilku, jsme lidi a meli bychom se umet trochu chapat. Pak je ale velice dulezite, jak se k tomu stavi redakce casopisu. Slusny casopis se od bulvaru typu "21. stoleti" odlisuje v tom, ze uverejnuje opravy, aby neblbnul ctenare.

Odpovědět

Jan Kolář,2010-09-10 16:28:03

Ono ani není nutné, aby články o vědě psali samotní vědci. Úplně stačí, když si novináři zjistí stanovisko k tiskové zprávě od vědce, který v oboru pracuje. Tímhle způsobem se dá odfiltrovat poměrně dost zkreslení vzniklých na cestě od původního výzkumu přes PR oddělení výzkumné instituce a tiskové agentury až k novináři.

Odpovědět

Konstanta jemne struktury

Martin Tůma,2010-09-09 14:51:45

http://www.vtm.cz/aktuality/jiny-cas-jine-zakony - tez jsem o tom psal. Je to pomerne zajimava vec, protoze vedci s tim prisli uz pred kolem roku 1995, ale presnejsi mereni to vyvratili a ted to jeste presnejsi znovu vraci do hry.

Odpovědět


Karel Š,2010-09-09 17:11:37

Osobně jsem k těm výsledkům dost skeptický, spíš mi přijde že si tak trochu zvyšujou popularitu aby dostali peníze na další výzkum. Proti tomu aby to zkoumali dál samozřejmě nic nemám, ale osobně si myslím že až se jim měření ještě zpřesní tak zase budou pozorovat změny jen na hranici přesnosti, stejně jako dosud.

Odpovědět


Asi to taky není pravda

Pavel A1,2010-09-10 23:26:51

Tady http://motls.blogspot.com/2010/09/variable-fine-structure-constant-is.html je docela pěkný rozbor toho měření a jsou tam zmíněny i teoretické důvody, proč by konstanta jemné struktury měla být opravdu konstantní.

Odpovědět

Jiné téma a revize základů fyziky

Michal Podlesný,2010-09-09 13:36:02

S neméně bombastickým titulkem se objevil krátký článek http://www.blisty.cz/art/54377.html o pravděpodobných změnách konstanty jemné struktury, zjištěných při studiu absorbce záření kvasarů.
Podrobnější starší článek na http://www.aldebaran.cz/bulletin/2007_14_con.php
Bylo by zajímavé zhodnocení problematiky, až budou k dispozici podrobnosti.

Odpovědět

autorova omluva

Martin Tůma,2010-09-09 12:26:13

Ahoj,
clanek na VTM jsem napsal ja. To prepisovani ucebnic mi vazne ulitlo. Timto se omlouvam vsem, kteri byli clankem dotceni, ale snazim se pritahnout a zaujmout sirokou skupinu lidi, kterym je veda vicemene sumak. Clanek s nazvem Mozny vliv slunecnich neutrin na cetnost radioaktivnich rozpadu nebo podobne nebude mezi temi, ktere si lidi prectou. Bohuzel, ale je to smutny fakt, ze nas narod pomalu ale jiste hloupne.
A male vysvetleni na zaver - tyhle clanky pisu spise jako hobby ve svem volnem case a nezivi mne, spise trosku prispivaji do rozpoctu. O to horsi je ten muj zaver, to mi vazne ulitlo, stydim se a verejne se z toho kaji :)

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-09-09 14:21:45

:) NEMÁTE se za co omlouvat, asi všichni čtenáři pochopí, že zdroje z tiskových oddělení známých universit všichni považujeme za směrodatné a člověk, jenž se snaží popularizovat vědu v mnohých oblastech nemůže být zorientovaný ve všem. Na dr. Wagnera jsem se obrátila já a také jsem překvapena, že radioaktivní rozpad v některých případech ovlivnit lze.
Mně na zmíněných tiskových zprávách ylo podezřelé to spojení s rotací jádra Slunce. To jsem si řekla, že to MUSÍ být nesmysl, anebo ničemu vůbec nerozumím.

Kdysi jsem vehementně prosazovala myšlenku, že popularizovat vědu by měli samotní vědci, eliminují se podobné chyby na minimum. Jenže i vědci někdy vyprodukují výsledky značně podezřelé, diskutabilní až nesmyslné. A pak je tu další podmínka - napsat zajímavý a srozumitelný popularizační text není zrovna jednoduché a vědců typu J. Petr, J. Grygar, V. Wagner ... je jako šafránu.
Takže pište navzdory klopýtnutím (kdo je nezažil!), moc Vás to naučí a i takto podávané kapky útržků informací pomáhají lidem otevírat oči a vidět ten svět v jeho úžasných souvislostech. A když již jednou tady jsme, bylo by škoda to nevyužít pro pochopení okolního světa. To z nás dělá lidi.

Odpovědět

Dík

Ondi Vo,2010-09-09 02:29:23

... za podrobné objasnění problematiky.

S žurnalisty je kříž, jsou nuceni produkovat komerčně výnosné články. To sice neomlouvá jejich častou povrchnost, ... ale vysvětluje ji.

Odpovědět

Výborně!

Leopold Kyslinger,2010-09-09 01:06:01

Teď už snad jenom to, že ...čtenáři vědí (v článku ...ví)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace