Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 46 – vyšlo 12. prosince, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

46/2005

Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska

Michal Marčišovský

Viac porozumieť problematike zdanlivého „miznutia“ neutrín vznikajúcich pri interakcii kozmického žiarenia s hornými vrstvami atmosféry nám umožní Švajčiarsko-Taliansky projekt CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso), kde pomocou urýchľovača SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír). vytvorené miónové neutrínaNeutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988. putujú pod zemským povrchom do laboratória LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) a overí sa teória oscilácie neutrín.

Neutrino elektronové – částice patřící mezi leptony, vzniká spolu s pozitronem při slabých rozpadech. Jde o částici velmi malé hmotnosti, která interaguje s hmotou jen slabou interakcí, snadno proto hmotou proniká. Jeho existenci předpověděl W. Pauli v roce 1930 na základě analýzy beta rozpadu. Název neutrino mu dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (v italštině znamená neutrino malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolíně (Frederick Reines, Clyde Cowan). Neutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988. Neutrino tauonové – doprovází tauon (supertěžký elektron) při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT (Do Nu Tau). Z objevitelského týmu jmenujme alespoň Phillipa Marvina Yagera a Vittorio Paoloneho.            Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. Mion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. Tauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 me. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10−13 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem.

Cesta neutrín pod zemou do Talianska.

O vytváraní neutrín

Miónové neutrína vznikajú prirodzenou cestou z rozpadu π-mezónovMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. (piónovPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d.) a miónovMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936.. V laboratóriu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. sa neutrínaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. produkujú podobným spôsobom, keď sa prúd urýchlených protónov nechá kolidovať s atomárnymi jadrami. V súčasnosti všetky funkčné protónové urýchľovače CERNu slúžia na urýchlenie protónov na požadované energie pre efektívnu tvorbu neutrín, LINACLINAC – zkratka používaná pro lineární urychlovače (LINear ACcelerator). Příkladem může být první urychlovací předstupeň Velkého hadronového kolideru v CERNu. V případě radioterapeutických účelů někdy užívá zkratky clinac. urýchli jadrá vodíku na 50 MeV ktoré sú injektované do Boostera ktorý ich dostane na energiu 1,4 GeV, predtým než sú vyslané do synchrotrónuSynchrotron – cyklický urychlovač, který k zakřivování dráhy částic používá proměnné magnetické pole vhodně synchronizované s urychlujícím elektrickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, jenž pracuje jen s konstantním magnetickým polem. PSPS – první velký urychlovač v komplexu CERN postavený v roce 1959. Dokázal urychlit protony na energii 28 GeV. Později se využíval jako injektor pro urychlovač SPS, který bude sloužit stejnému účelu pro budovaný urychlovač LHC., kde získaju ďalších 13 GeV a teda sú vhodné na finálne urýchlenie v synchrotróneSynchrotron – cyklický urychlovač, který k zakřivování dráhy částic používá proměnné magnetické pole vhodně synchronizované s urychlujícím elektrickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, jenž pracuje jen s konstantním magnetickým polem. SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír). na energiu 400 GeV.

Urýchľovací komplex pre experiment CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso.

Smerovací systém pre neutrína

Po urýchlení sa protóny nasmerujú na terčík, kde interagujú s jadrami, z ktorých je zložený, a vytvoria sekundárny zväzok zložený najmä z piónovPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a kaónovKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením.. Tieto častice sú vedené magnetickým poľom do tzv. „rozpadového tunela“, ktorý je nasmerovaný na taliansky detektor v laboratóriu LNGS. Pióny a kaóny sa počas letu rozpadnú poväčšinou na miónyMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. a miónové neutrínaNeutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988., pričom ich smer pohybu je veľmi podobný ako smer pohybu pôvodných častíc. Na konci tunela je tzv. „beam stopper“, ktorý absorbuje všetky častice okrem neutrínNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.. Týmto spôsobom je možné vytvoriť prúd neutrín ν_μ s energiou asi 19 GeV, ktorý je veľmi čistý.

O oscilácii neutrín

Predpokladá sa, že neutrínaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. oscilujú, teda menia vôňuVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), bottom (spodní), top (horní).. To je možné iba keď majú nenulovú hmotnosť. Bola pozorovaná oscilácia medzi ν_e a ν_μ pomocou detektoru SuperKamionandeSuper-Kamiokande – japonská neutrinová observatoř z roku 1996 umístěná 1 000 m pod povrchem hory Ikeno ve starém zinkovém dole poblíž městečka Kamioka. Horniny nad detektorem jsou ekvivalentní 2 700 metrům vodního sloupce. Nádoba detektoru obsahuje 50 000 tun vody, na stěnách je 13 000 fotonásobičů, průměr nádoby je 40 metrů. Detektor detekuje Čerenkovovo záření elektronu nebo mionu vzniklého srážkou elektronového nebo mionového neutrina s neutronem. Z tvaru kužele Čerenkovova záření lze snadno odlišit elektronové a mionové neutrino. V průměru je zachyceno jedno atmosférické neutrino za hodinu a půl. V roce 1998 byl oznámen objev oscilací neutrin. V roce 2001 byl detektor vážně poškozen. Oprava trvala 5 let a stála 25 milionů USD., ktorá osvetlila prečo detekujeme iba zlomok z počtu slnečných neutrín, ktoré by sme mali teoreticky nájsť.

Oscilácia neutrín spočíva v tom, že pri slabých interakciách vznikajú tzv. vlastné stavy vône ν_e, ν_μ a ν_τ, častice ktoré pozorujeme sú však lineárnou kombináciou tzv. hmotnostných vlastných stavov. Mixovanie prebieha podľa matice P_PMNS ktorá je nazvaná podľa svojich objaviteľov Pontecorva, Makiho, Nakagawu a Sakata:

Na príklad si pre jednoduchosť môžme predstaviť 2 druhy neutrín (dve vône) ν_e,ν_μ a 2 vlastné stavy hmotnosti, ν₁,ν₂ ktoré sú navzájom prepojené unitárnou maticouUnitární matice – matice, která nemění velikosti a vzájemné směry vektorů. Jde o rotace (det A = 1) zrcadlení (det A = −1). U:

Teda ak si namaľujeme názorný obrázok, hneď uvidíme čo je mixážna matica, v podstate pootočenie v rovine o uhol θ , tzv. mixážny uhol.

Takže stav neutrína sa dá znázorniť nasledujúcim spôsobom:

Vlastné stavy hmotnosti sa však šíria ako vlny rozdielnymi rýchlosťami vo vákuu (3 hmotnosti neutrín) a teda sa čistý stav pôvodného neutrína mení. Teda napríklad z veľkého počtu pôvodných ν_e, jedného z produktov termojadrovej reakcie v našej najbližšej hviezde, sa na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. detekujú aj ν_μ alebo ν_τ.

Neutrína oscilujú medzi vôňami podľa rovnice, ktorá sa dá jednoducho odvodiť:

,

kde P_α → β je pravdepodobnosť oscilácie  medzi dvoma vôňamiVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), bottom (spodní), top (horní)., Δm² je rozdiel kvadrátov hmotností v eV², L vzdialenosť v km od zdroja,  E energia neutrína v GeV. Znázornenie oscilácií je na následujúcom obrázku, kde je modro-červenou farbou zobrazený časový vývoj zloženia neutrína.

Oscilácie neutrín v hmote, MSW efekt

Mikheyev, Smirnov a Wolfenstein ukázali, že v hmote budú oscilácie prebiehať inak z dôvodu slabej interakcie neutrín s prostredím. Všetky neutrína ν_e,ν_μ a ν_τ interagujú s hmotným prostredím pomocou neutrálnych prúdovNeutrální proudy – slabá interakce, kterou zprostředkovává nenabitý intermediální boson Z⁰., teda Z⁰ vektorových bozónov. Nabité slabé prúdyNabité proudy – slabá interakce, kterou zprostředkovávají nabité intermediální bosony W⁺ a W⁻., teda častice W⁺ a W⁻ môžu sprostredkovať interakciu iba pre elektrónové neutrína ν_e, keďže obyčajné hmota obsahuje iba elektróny, a nie mióny a tauóny. V hmote sa podstatne zvýši pravdepodobnosť oscilácií vďaka rezonančným efektom.

Feynmanove diagramy slabej interakcie neutrín (naľavo nabité prúdy, napravo neutrálne prúdy)

Detekcia neutrín

NeutrínaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. sú veľmi slabo interagujúce častice, preto ich sú pre experimenty potrebné obrovské toky. V experimentu chceme detekovať τ neutrína, a predpokladáme ich vznik z oscilácie ν_μ → ν_τ a reakcia s pomocou ktorej ich môžeme detekovať je ν_τ + X → X + τ, kde X je atómové jadro, inými slovami vnikne tauónTauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 m_e. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10⁻¹³ s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem., ktorý má polčas života 0,3 pikosekundy a veľmi ťažko sa detekuje. Preto je nutné, aby energia neutrína bola vyššia ako kľudová hmotnosť tauónu, ktorá je asi 1,8 GeV. Tauón je jediný známy leptón ktorý sa môže rozpadnúť aj na hadrónyHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou jadernou interakcí. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů. alebo iné leptónyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauo­nové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektro­mag­ne­tické (pokud jsou nabité). ako napr. mión (ktorý vzniká pri záchyte miónového neutrína v hmote), identifikácia tauónu z jeho produktov je preto nevhodná.  V Taliansku budú neutrína detekovať dvomi detektormi:

Schéma detektoru OPERA – 1: olovené dosky a jadrová fotoemulzia; 2: manipulátor dosiek;
3: miónový spektrometer; 4: driftová komora, 5: podporná konštrukcia

Schéma detektoru ICARUS.

Epilog

Spustenie neutrínového zväzku je plánované na máj 2006. V poslednej dobe je neutrínová fyzika populárna, prebieha alebo je naplánovaných mnoho experimentov zameraných na detekciu oscilácie neutrín či už vo vákuu alebo v hmote. Dnes je jasné že neutrína majú nenulovú kľudovú hmotnosť, ale stále nevieme akú. Experiment CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso. zpresní naše znalosti o neutrínach a odmerá mixážne uhly.

Klip týdne: Neutrinový detektor Amanda

Detektor vrtaný v antarktickém ledu. První předběžné vrty pocházejí již z let 1991 a 1993. Problémy s bublinami v ledu byly překonány až v roce 1995, který lze považovat za počátek práce neutrinového detektoru. Do antarktického ledu jsou hloubeny horkovodním vrtákem vrty o průměru 50 cm do hloubky cca 2 km. Vrty zamrznou za dva dny. Ve vrtu zůstává zamrzlá struna s optickými moduly. Každý modul je spojen s povrchem nezávislým elektrickým kabelem a optickým vláknem, které vede k YAG laseru na povrchu. Optické vlákno slouží ke kalibraci optického modulu. Veškerá pomocná elektronika je na povrchu. Vrty jsou soustředěny v kruhové oblasti o průměru 120 m. Neutrino interagující s neutronem v ledu vytvoří relativistický elektron či mion, který za sebou zanechává v ledu charakteristický kužel Čerenkovova záření. Právě ten je detekován zamrzlými optickými moduly. Rozmístění modulů umožňuje prostorovou rekonstrukci kužele. Získané úhlové rozlišení pro neutrina z kosmického záření je pod 1°. Zařízení je schopné detekovat kromě běžných neutrin s energiemi několik MeV i vysoce energetická neutrina s energiemi vyššími než 1 000 GeV a otvírá nám tak zcela nové okno pro pozorování vesmíru. (avi 12 MB)

Odkazy