Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 19. listopadu, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2010

Neobvyklé oscilace neutrin potvrzeny experimentem MiniBooNE

Miroslav Havránek

NeutrinaNeutrina – 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. patří mezi jedny z nejpozoruhodnějších objektů mikrosvěta. Existenci neutrina teoreticky předpověděl Wolfgang Pauli v roce 1930. Neutrina mohou prakticky téměř volně procházet hmotou, protože s ní interagují pouze prostřednictvím slabé interakceSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).. Neutrina je velmi obtížné detekovat. Trvalo dalších 26 let, než bylo neutrino objeveno při experimentu, který navrhli fyzikové Clyde Cowan a Frederick Reines. Jejich projekt nesl příznačný název „Project Poltergeist“. Dnes víme, že existují tři druhy (vůně) neutrin: elektronovéNeutrino 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). , mionovéNeutrino 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. a tauonovéNeutrino 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.. Tato pojmenování nejsou samoúčelná. Elektronová antineutrina jsou vždy produkována spolu s elektronyElektron – 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. (například při rozpadu beta). Podobně mionová antineutrina vznikají spolu s 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. (například při rozpadu pionuPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d.). V inverzním procesu, při rozpadu antimionu, zase vznikají mionová neutrina. Obdobně i tauonová neutrinaNeutrina – 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. jsou takto vázána na „svůj“ nabitý leptonLeptony – 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). (mějme na paměti, že se bavíme o slabých procesechSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD)., elektrony mohou vznikat např. také konverzí gama fotonuFoton – 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. na elektron-pozitronový pár, kde žádná neutrina nevznikají, protože se jedná o elektromagnetický procesElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED).). Patrně největším překvapením pro fyziky bylo zjištění, že neutrina mohou v průběhu svého života měnit vůni. Příznaky tohoto chování neutrin byly poprvé pozorovány v roce 1960 na experimentu v dole HomestakeHomestake – první detektor neutrin byl postaven v opuštěném zlatém dole v Jižní Dakotě. Šlo o vodorovně uloženou válcovou nádobu naplněnou 615 tunami tetrachloretylenu. Detektor byl uveden do provozu v roce 1967 za vydatného přispění R. Davise. Administrativně spadá pod Brookhavenské laboratoře. Jde o chlorový detektor slunečních neutrin. Jeho činnost byla ukončena v roce 1993. v Jižní Dakotě prostřednictvím deficitu v množství slunečních neutrin. Tento jev byl později potvrzen dalšími nezávislými experimenty (Kamiokande, GALLEX, SAGE a další). Dnes se měří parametry oscilací neutrin pocházejících z různých zdrojů (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., jaderné reaktory, urychlovače, kosmické 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.) a vzájemně se porovnávají. V 90. letech minulého století probíhal experiment LSND, který naměřil abnormálně velké oscilace neutrin, které neodpovídají datům z jiných experimentů. Podobná anomálie jako na LSND je pozorována také na současném experimentu MiniBooNE.

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.

Oscilace neutrin

Oscilace neutrin popisuje kvantová teorie pomocí principu superpozice. Na neutrino se můžeme dívat jako na stav, který je superpozicí (součtem) stavů s přesně definovanou vůníVůně – 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). (ν_e, ν_μ, ν_τ – tzv. vlastní stavy vůně, které jsme vybrali jako bázové stavy pro popis neutrina), kde každý z těchto stavů je zastoupen různým dílem. Stejné neutrino ale můžeme také popsat superpozicí jiných stavů – tentokrát stavů s přesně definovanou hmotností (ν₁, ν₂, ν₃ – vlastní stavy hmotnosti), ale s jinými koeficienty. Zdrojem oscilací je právě nerovnost těchto koeficientů, která způsobuje, že neutrino jedné vůně se v čase přeměňuje na neutrino vůně jiné a zpět. Frekvence oscilací je přímo úměrná rozdílu kvadrátů hmotností a nepřímo úměrná energii neutrina. Nyní je vidět, že nutnou podmínkou oscilací neutrin je jejich nenulová hmotnost. Podrobněji jsou oscilace neutrin popsány v AB 46.

Každé neutrino může být popsáno jako lineární kombinace vlastních stavů vůně nebo ekvivalentně pomocí lineární kombinace vlastních stavů hmotnosti. Obrázek znázorňuje, že vlastní stavy hmotnosti nejsou u neutrina zastoupeny stejnou měrou jako vlastní stavy vůně. To znamená, že například ν₁ je směsicí ν_e, ν_μ, ν_τ (jako na obrázku) a naopak ν_e je zase směsicí ν₁, ν₂, ν₃. Zdroj: Ice Cube.

Experiment LSND

V letech 1993 až 1998 probíhal v laboratoři LANL (Los Alamos National Laboratory) v USA experiment LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector), který měl zkoumat oscilace 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. na krátkých vzdálenostech mezi zdrojem a detektorem. Jako zdroj neutrin sloužilo zařízení na urychlovači LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility), který urychluje protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Zaostřený svazek protonů byl dále naveden na terčík. Při těchto srážkách vznikalo hojné množství pionůPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a mionůMion – 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., jejichž rozpadovými produkty jsou neutrina.

Detektor LSND, umístěný přibližně 30 m od zdroje neutrin, byl tvořen válcovou nádobou naplněnou 167 tunami minerálního oleje a nepatrného množství organického scintilátoru. Olej má vyšší index lomu než voda, a proto je v něm nižší energetický práh pro produkci Čerenkovova zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí.. Stěny nádrže pokrývaly 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. detekující jednak Čerenkovovo záření elektronůElektron – 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. a mionůMion – 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. (závěrečné produkty interakce neutrina) a jednak záření způsobené scintilační látkou rozpuštěnou v oleji.

V experimentu se zkoumaly různé reakce 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., ale nejpřekvapivější výsledky přineslo měření přítomnosti elektronových antineutrin v relativně čistém svazku mionových antineutrin s energií mezi přibližně 20 a 50 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Experiment LSND pracoval na principu inverzního beta rozpadu, kdy ν_e interaguje s protonemProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. za vzniku neutronuNeutron – 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. a pozitronuPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932.. Pozitron téměř okamžitě anihilujeAnihilace – proces zániku částice a antičástice, při kterém se obě přemění na záření. O existenci antičástic poprvé teoreticky uvažoval Paul Adrien Maurice Dirac v roce 1928. za produkce dvou fotonůFoton – 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. v oblasti gama. Neutron vytvoří vázaný stav s protonem za vzniku deuteronu a emise třetího fotonu v gama oboru. Detekce právě těchto tří fotonů byla signálem, že došlo detekci elektronového antineutrina. Díky malé vzdálenosti mezi zdrojem neutrin a detektorem se očekával pouze velmi slabý signál v detektoru odpovídající velmi malému množství mionových antineutrin, která po cestě k detektoru změnila svoji vůniVůně – 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). na elektronové antineutrino. LSND ale za dobu měření této reakce detekoval o přibližně 88 ν_e více, než bylo očekávané pozadí (přibližně 20 ν_e). Tato hodnota odpovídá rozdílu kvadrátů hmotností oscilujících neutrin mezi 0,2÷10 eV², což je hodnota více než tisíckrát větší než u jiných experimentů měřících sluneční a atmosférická neutrina (KamLANDKamLAND – KAMioka Liquid scintillAtor Neutrino Detector, japonský scintilační detektor neutrin. Detektor tvoří průhledná nilonová koule o průměru 13 m, která je naplněna scintilační kapalinou detekující pozitrony vzniklé při záchytu antineutrina protonem. Koule je ponořena do oleje v ocelové nádobě o průměru 18 m. Na vnitřním povrchu nádoby je 1879 fotonásobičů. Vně nádoby je vnější Čerenkovův vodní detektor s 3 200 tunami vody. Celá konstrukce je tak třívrstvá. Detektor je primárně určen ke sledování antineutrin z jaderných reaktorů, dokáže ale sledovat i další druhy neutrin, například geoneutrina. atd.). Pokud by data z experimentu LSND byla skutečná, neutrina by musela mít hmotnost větší než 0,4 eV, což by bylo možně naměřit citlivými metodami i při obyčejném beta rozpadu nějakého jádra. Je tedy třeba tato data ověřit jiným experimentem.

Schéma uspořádání experimentu LSND. Pevný terčík je bombardován svazkem protonů, kde vznikají pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a 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., které se zastaví v absorbátoru a poté se rozpadnou do závěrečných stavů obsahujících neutrina. Ve směru neutrinového svazku je umístěn pečlivě stíněný detektor LSND. Zdroj: Univerzita v Alabamě.

Vnitřek detektoru LSND ještě před tím, než byl zaplněn olejem. Stěny nádoby pokrývají 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. měřící Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. a záření scintilační látky. Zdroj: Univerzita v Alabamě.

Experiment MiniBooNE potvrzuje anomalni oscilace

BooNE (Booster Neutrino Experiment) je název projektu pro výzkum oscilací neutrin, který se nachází v částicové laboratoři FermilabFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. v USA. Zatím byla realizována pouze první fáze tohoto projektu – experiment MiniBooNE. Finální projekt bude zahrnovat stavbu druhého detektoru v jiné vzdálenosti od zdroje, což výrazně zlepší přesnost měření parametrů oscilací. Experiment MiniBooNE je navržený tak, aby bylo možné měřit oscilace neutrin za podobných podmínek jako na LSND a ověřit tak poněkud kontroverzní data naměřená na experimentu LSND. Princip produkce a detekce neutrin je podobný jako v případě LSND s tím rozdílem, že průměrná energie neutrin je přibližně o řád vyšší (500 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.) než u experimentu LSND, ale vzdálenost mezi detektorem a zdrojem neutrin je také přibližně o řád vyšší (500 m). Poměr neutrin, které změní svoji vůniVůně – 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)., než dorazí k detektoru MiniBooNE, by měl být podobný jako v případě LSND. Vlastní detektor je tvořen kulovou nádobou o průměru přibližně 12 m, která je naplněná přibližně 818 tunami minerálního oleje. Světelné signály měří 1 520 fotonásobičůFotonásobič – 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. – většina z nich pochází z experimentu LSND.

Schématický obrázek detektoru MiniBooNE. Hlavní část detektoru tvoří kulová nádrž o průměru 12 m. Nádrž je rozdělena na dvě části. Vnitřní část slouží k detekci 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. a vnější (veto oblast) slouží k detekci 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.. Pomocí dat  vnějšího detektoru můžeme efektivně eliminovat vliv kosmického záření na data z vnitřního detektoru. Zdroj: International Science Grid.

Fotografie detektoru MiniBooNE. Je zde vidět nádoba obsahující přes 800 tun minerálního oleje, která vyplňuje podstatnou část experimentální haly. Zdroj: LANL.

Vizualizace události zachycené detektorem MiniBooNE. Elektricky nabitá částice proletěla detektorem nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. Došlo k emisi Čerenkovova zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí., které bylo detekováno fotonásobiči. Zdroj: Asymptotia.

Naměřené údaje ukazují přebytek asi dvaceti elektronových antineutrin oproti očekávanému pozadí (přibližně 100 ν_e). Tato data jsou konzistentní s výsledky experimentu LSND. Existuje několik hypotéz jak vysvětlit pozorované anomálie. Patrně nejdiskutovanější z nich je existence hypotetického čtvrtého neutrina, které tvoří jeden ze stavů, mezi kterými mohou neutrina oscilovat. Takové neutrino by muselo interagovat pouze gravitačně, a proto bychom jej v detektorech nikdy nezaznamenali. Toto neutrino se nazývá sterilní neutrino. Doposud naměřené výsledky z experimentu MiniBooNE ukazují ještě další anomálii. Ukazuje se, že neutrina oscilují jinak, než antineutrina. Podobné výsledky potvrdil také experiment MINOS, který se nachází v Minnesotě v USA. Pokud jsou tyto výsledky skutečné, znamenalo by to, že neutrina jsou dalším zdrojem narušení CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů..

Závěr

Neutrinové experimenty představují velmi slibný způsob jak zkoumat fyziku za hranicemi Standardního modeluStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W⁺,  W⁻, Z⁰) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole.. Měření parametrů oscilací neutrin, objasnění dat z experimentu LSND nebo zkoumání možnosti narušení CP symetrie u neutrin je výzvou současné neutrinové fyziky. Prokázání existence sterilního neutrina by poskytlo možného kandidáta na vysvětlení podstaty 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.  ve vesmíru. Všechny neutrinové experimenty ale trpí nedostatkem statistiky způsobené „neochotou“ neutrin interagovat s detektory. Zdá se tedy, že pro objasnění všech těchto jevů budou muset neutrinoví fyzikové trpělivě čekat na zvýšení statistiky detekovaných neutrin.

Odkazy