Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 4 – vyšlo 23. ledna, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

4/2009

ANTARES – největší podmořský detektor neutrin na světě spuštěn

Petr Kulhánek

Dvacet pět kilometrů jižně od francouzských břehů byla v roce 2008 dokončena stavba obřího podmořského detektoru neutrinNeutrina – 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. s vysokou energií. Detektor se rozprostírá na ploše 0,1 km² v hloubce 2,5 km pod mořskou hladinou. Přibližně tisícovka fotonásobičů čeká na posly ze vzdáleného vesmíru. Na stavbě se podílelo 150 odborníků z Francie, Itálie, Španělska, Holandska, Německa, Rumunska a Ruska. Detektor se stane rájem nejenom pro astronomy, ale i pro částicové fyziky a pro vědce zabývající se světem hluboko pod mořskou hladinou. Nové okno do vesmíru bylo otevřeno. Můžeme se těšit na sledování vzniku neutronových hvězd a černých děr, na pozorování jevů v aktivních jádrech galaxií a výzkum samotných neutrin – částic dodnes opředených mnoha tajemstvími.

Neutrina – 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. 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.

Neutrinová astronomie

Většina astronomických pozorování využívá elektromagnetické spektrum. FotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. ale interagují s látkou v nitru hvězd nebo jsou absorbovány mezihvězdným prachem. Fotony s vysokou energií interagují i s reliktním zářenímReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). a infračerveným zářením pozadí. Informace o některých jevech (například o dějích v termojaderném kotli uvnitř hvězd) jsou tak v elektromagnetickém záření buď zcela nedostupné nebo velmi zkreslené.

Neutrina interagují s látkou velmi slabě, procházejí k nám i z nejvzdálenějších zákoutí vesmíru a přinášejí cenné informace o zajímavých procesech, při kterých vznikají. Typickým příkladem mohou být závěrečné fáze života hvězd. Hmotné hvězdy na konci života často explodují jako supernovySupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi. a v jejich nitru vznikne neutronová hvězdaNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. nebo černá díraČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.. Oba procesy jsou doprovázeny vznikem neutrin. Umírající hvězda vyšle neutrinový záblesk v okamžiku, kdy se v jejím nitru za obrovského tlaku hojně přeměňují jádra železaŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. na neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.. Poprvé byl tento typ neutrin pozorován při explozi supernovy SN 1987A. Méně energetická neutrina vznikají i po celou aktivní dobu života hvězd – v jejich nitrech při termojaderné fúzi. Pro nás je nejbližším takovým zdrojem nitro SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Neutriny jsou doprovázeny i některé gama zábleskyGRB – Gamma Ray Bursts, záblesky gama. Náhlá vzplanutí různé povahy v oboru gama. Dnes je jasné, že bude existovat více mechanizmů vzplanutí gama, která jsou pozorována jak v kosmologických vzdálenostech, tak přímo v naší Galaxii. K zábleskům gama dochází přibližně jednou denně a mají trvání od několika milisekund po několik stovek sekund. Může jít o vznik černé díry, splynutí dvou neutronových hvězd, procesy v aktivních jádrech galaxií nebo o další, dosud neznámé mechanizmy.. Další neutrina vznikají přímo v horních vrstvách atmosféry při interakci částic kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. s vysokou energií s jádry atomů atmosféry. Pozorování těchto neutrin přináší cenné informace o kosmickém záření. Neutrina doprovází procesy v aktivních jádrech galaxiíAGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 10¹⁶ cm^-3, T ~ 10⁵ K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 10⁹ K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary.. Celý vesmír je ponořen do moře reliktních neutrin, která se oddělila od látky přibližně jednu sekundu po vzniku vesmíru. Neutrina tvoří horkou část temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.. Mohou se ale objevovat i jako důsledek projevů chladné temné hmotyCDM – Cold Dark Matter. Chladná temná hmota je složka temné hmoty, která difunduje do menších vzdáleností, než jsou rozměry zárodečných fluktuací galaxií. Jde tak o jedinou složku temné hmoty, která je schopná tvořit makroskopické struktury. Předpokládá se, že většina temné hmoty je právě chladná temná hmota.. Částice chladné temné hmoty (například wimpsyWIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná.) jsou gravitačně stahovány do středů planet, hvězd i galaxií, kde vytvářejí velmi husté oblasti, které mohou opět produkovat neutrina. Zdá se, že všude kolem nás je dosud neobjevený svět neutrinové astronomie, jehož okno se nám právě otevírá.

Pozůstatek po supernově 1987A, která byla zdrojem prvních neutrin detekovaných
z exploze supernovy. Snímek Claes Fransson, Stockholmská observatoř.

Detektor ANTARES

Název detektoru připomíná známou hvězdu Antares ze souhvězdí Štíra, je však zkratkou z anglického „Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch“. Detektor byl postaven na dně Středozemního moře, v hloubce 2,5 km, kde je většina ostatních částic odstíněna mohutným sloupcem vody. Detektor je zejména citlivý na mionová neutrina s vysokou energií, při jejichž slabé interakci s látkou vznikají mionyMion – 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. s rychlostí převyšující rychlost šíření světla ve vodě. Za těchto podmínek se za nabitými miony táhne kužel Čerenkovova zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí., které může být detekováno fotonásobičiFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. umístěnými na svislých strunách pod mořskou hladinou .

Schéma detektoru

Detail optického modulu.

Detektor je umístěn přibližně 25 kilometrů od francouzského pobřeží, v blízkosti města Touloun (souřadnice jsou 42°50′ s.š., 6°10′ v.d.). Struny nesoucí fotonásobičeFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. jsou zakotvené na mořském dně a vznášejí se do výše 400 metrů nade dnem, kde jsou ukončeny bójkou. Celkově je jich 12 na ploše 0,1 km². Každá struna je rozdělena na 25 úseků, neboli podlaží, vzdálených 14,5 metru. Na každém podlaží se nachází řídicí modul a optický modul složený ze tří skleněných koulí. Koule jsou schopné odolat tlaku až 600 barů, tj. v principu by mohly být ponořeny až do hloubky 6 kilometrů. V  kouli je především fotonásobič, ale také další senzory, pomocná elektronika vyhodnocující tvar zachyceného signálu a vysokonapěťový zdroj pro fotonásobič. Datové a napájecí kabely ze všech podlaží struny jsou svedeny do řídicího modulu, který je umístěn na mořském dně u zakotvení struny. Odsud jsou kabely vedeny do spojovacího modulu, ze kterého vede 40 kilometrů dlouhý elektro-optický kabel do pobřežní stanice. Na mořském dně jsou také kontejnery s bateriemi.

Neutrinové detektory mají oproti jiným astronomickým technikám jednu velikou výhodu: mohou pozorovat vesmír nepřetržitě, ve dne i v noci, nezávisle na počasí nebo fázi Měsíce. Detektor ANTARES je schopen sledovat prostorový úhel 3,5π steradiánu, tj. většinu oblohy (plný úhel je 4π sr). Celkový počet fotonásobičů detektoru je téměř 1 000.

Měřicí modul, který tvoří jedno patro struny.

Stavba detektoru

Stavba detektoru fakticky započala ponořením první pokusné struny o délce „jen“ 250 metrů již v roce 1996. Po řadě experimentů byla 17. března 2005 ponořena testovací struna v místě stavby budoucího detektoru ANTARES. První kompletní struna detektoru byla ponořena 14. února 2006 a první data poskytla 2. března 2006. Poté již stavba pokračovala relativně rychle. Druhá struna byla ponořena 21. září 2006. V průběhu roku 2007 byly ponořovány další a další struny. Noření strun probíhalo z paluby lodi, na dně moře byl umístěn robot, který strunu ukotvil a připojil její kabely k spojovacímu modulu. Stavba celého detektoru byla dokončena 30. května 2008. Detektor má celkem 13 strun, z toho 12 měřicích a jednu pomocnou. První signál byl zaznamenán několik hodin po připojení posledních dvou strun.

Pokládání struny

Po třech týdnech provozu se ale detektor 24. června 2008 odmlčel. Posádka lodi ohlásila celkové selhání dodávky energie. Analýza kabelové sítě ukázala poškození kabelu spojujícího detektor s pobřežím ve vzdálenosti 25 kilometrů od pobřeží. 30. srpna započaly opravné práce z lodi Raymond Croze. Defekt byl nalezen ve vzdálenosti 23 kilometrů od pobřeží a vadná část kabelu vyměněna. 6. září byl obnoven definitivně provoz detektoru, který se stal největším podmořským detektorem neutrin na světě.

Loď Raymon Croze

Podmořský kabel

Budoucnost – KM3NeT

Detektor nedávno uvedený do provozu není zdaleka posledním slovem astronomů, částicových fyziků a oceánologů. V dubnu 2008 byly zveřejněny plány dlouho připravované stavby obřího podmořského detektoru KM3NeT s objemem 1 km³. Měl by být opět umístěn ve Středozemním moři. Projekt je v tuto chvíli v přípravné fázi, jejímž cílem je nalézt politickou, vědeckou a finanční podporu projektu v jednotlivých zemích. Projektu se účastní 41 institucí z Francie, Holandska, Irska, Itálie, Kypru, Německa, Řecka, Španělska a Velké Británie; v budoucnu se nepochybně připojí i další země. Přípravná studie stála 20 milionů Euro. Autoři projektu tvrdí, že po zkušenostech s detektorem ANTARES proběhne stavba velmi rychle.

Ambiciózní projekt KM3NeT

Klip týdne: ANTARES

ANTARES. ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) je podmořský detektor neutrin umístěný ve Středozemním moři, 25 kilometrů od francouzského města Touloun. Téměř 1 000 fotonásobičů je navěšeno na 12 strunách, které jsou zakotveny k mořskému dnu v hloubce 2 500 metrů. Celková plocha detektoru je 0,1 km². struny končí 400 metrů nade dnem bójkou. Data jsou vedena po mořském dně kabelem na břeh. Stejně tak je zajištěn přísun energie. Detektor je zejména citlivý na mionová neutrina s vysokou energií. Při interakci těchto neutrin s vodou vznikají nabité miony, které za sebou táhnou kužel Čerenkovova záření. Právě toto záření je detekováno fotonásobiči. Na prvním klipu je patrný princip detektoru (fotonásobiče jsou ukryty v trojicích skleněných koulí). Na druhém klipu je patrné ponořování jedné ze strun z lodi a následné připojení ke kabeláži na dně moře s pomocí robotů. Záběry robotických paží pracujících 2,5 kilometru pod hladinou moře stojí určitě za shlédnutí. (wmv, 11 MB) (avi/divx, 24 MB)

Odkazy