Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 45 – vyšlo 17. prosince, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

45/2010

Neutrinový experiment OPERA

Petr Kulhánek

O neutrinech a jejich vlastnostech referujeme relativně často. Dnes se zaměříme na jeden zcela výjimečný experiment. Neutrinový svazek vytvořený v Evropském středisku jaderného výzkumu 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. je namířen směrem na Itálii a po 732 kilometrech letu skrze Zemi jsou neutrina chytána italským detektorem OPERA, který se nachází 1 400 metrů pod zemí, pod horou Gran Sasso. Hlavním cílem je sledování oscilací neutrin (viz AB 46/2005) a zpřesnění informací o jejich hmotnostech. V květnu 2010 se v tomto experimentu historicky poprvé podařilo detekovat oscilaci mionového neutrina na tauonové. Pojďme se s tímto neuvěřitelným experimentem seznámit podrobněji.

Logo experimentu

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.

Příprava neutrin

Neutrina pro experimenty pod horou Gran Sasso jsou připravována v Evropském středisku jaderného výzkumu 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.. Svazek urychlených protonůProton – 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. z urychlovače 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). je namířen na terč, ve kterém se z protonů stane svazek pionůPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a kaonůKaon – 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. (jde o mezonyMezon – 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. složené z kvarkuKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a antikvarku). Tyto piony se v kilometr dlouhé vakuované rozpadové trubici rozpadají na 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. a mionová neutrinaNeutrino 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.. Vzniklý svazek neutrin míří přibližně ve směru původního protonového svazku (směrem na italskou horu Gran Sasso). Jde téměř o čistý svazek mionových neutrin, pouze 0,8 % tvoří elektronová neutrina a 2 % mionová antineutrina. Cesta z CERNu (Ženevy) pod horu Gran Sasso je dlouhá 732 kilometrů a neutrina ji uletí za něco málo přes dvě milisekundy. Většina z nich detektor mine, ale i tak je tok neutrin z CERNu pod horou Gran Sasso obrovský. Každým metrem čtverečním jich proletí 500 miliard za rok (16 000 za sekundu). Průměrná energie těchto neutrin je 17 GeVElektronvolt – 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..

Neutrina připravená v CERNu jsou sledována v italské laboratoři pod horou Gran Sasso.

Gran Sasso

Národní laboratoř Gran Sasso byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly (A, B, C), každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. V těchto experimentálních halách je v současnosti umístěno 18 funkčních experimentů (o experimentu Borexino jsme psali v AB 12/2010, o experimentu DAMA/LIBRA např. v AB 28/2010 a v sekci Astrofyzika). Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m². Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare) a nad zemí mají správní budovy pro zaměstnance, jídelnu, přednáškový sál a další zázemí. Přístup do podzemí je z dálničního tunelu, který měří celkem 10 kilometrů. Nejbližší jaderný reaktor je až ve Slovinsku, a tak je zde minimum parazitních 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. z umělých zdrojů. Národní laboratoř Gran Sasso má celou řadu aktivit. Základem je neutrinová fyzika zaměřená na hledání slunečních neutrin, atmosférických neutrin, neutrin z explozí supernovSupernova – 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 z nitra ZeměZemě – 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.. Experiment OPERA sleduje neutrina uměle vytvářená za tímto účelem v CERNu. K dalším aktivitám patří hledání temné hmoty, geofyzika a základní fyzika (experiment VIP například sleduje, zda není v některých situacích narušen Pauliho vyučovací princip). Aktivity Národní laboratoře jsou mimořádně široké.

Italská Národní laboratoř Gran Sasso.

OPERA

Neutrina jsou v detektoru OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) zachytávána ve speciálních cihličkách vyrobených ze střídajících se vrstev olovaOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků. a citlivé emulze. Běžné neutrinové detektory jsou schopné detekovat elektronová a mionová neutrina. Detektor OPERA umí zachytit i tauonové neutrino a umožňuje tak sledovat oscilace svazku mionových neutrin letících z CERNu na tauonová. Pokud tauonové neutrino zainteraguje s olověným plátem v cihličce, vznikne tauonTauon – 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. (supertěžký elektron). Ten se v zápětí rozpadne na mionMion – 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. (17 % případů), elektronElektron – 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. (18 % případů) nebo pionPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. (64 % případů). Průměrná rozpadová vzdálenost tauonového neutrina je 0,6 mm. Cihlička má rozměry 7,5×12,5×10 cm a přesahuje tedy 10 průměrných rozpadových vzdáleností tauonového neutrina. Její hmotnost je 8,3 kg.

Průřez částí cihličky. Střídají se vrstvy olova a dvojvrstvy citlivé emulze. V cihličce je 57 dvojvrstev emulze a 56 vrstev olova. V olovu interaguje tauonové neutrino a vznikne tauon. Stopy jeho produktů rozpadu jsou zaznamenávány v citlivé emulzi. Na schématu jde o zelené stopy v emulzi.

Na základě záznamu stop v emulzi se rekonstruuje původní událost. Na grafu je rekonstrukce události z předchozího snímku. Polohu vzniku tauonu a polohu jeho rozpadu je možné určit s přesností 0,3 μm, úhlové rozlišení je 2 miliradiány.

Cihličky připravené k osazení do detektoru. Jejich výroba je plně automatizovaná.

Sklad olověných cihliček do detektoru OPERA.

K výrobě olověných plátů do cihliček se použilo tzv. římské olovo. Jde o olovo z potopené římské lodi (potopila se mezi 80 až 50 lety př. n. l.), které bylo určeno pro stavbu vodovodního potrubí. Pod hladinou moře leželo netknuté 2000 let. Za tu dobu se již rozpadla většina radioaktivních jader a jde tedy o ideální materiál do detektorů a na jejich stínění. Zbytky potopené lodi byly objeveny v roce 1988 v hloubce 28 metrů, asi 1,5 km od sardinského pobřeží. Loď vezla původně 1000 ingotů, z nichž každý měl hmotnost 33 kilogramů. Část nákladu se dochovala a byla vyzdvihnuta v roce 1991. Národní ústav jaderné fyziky INFN přispěl na vyzdvižení částkou v přepočtu přibližně 4 miliony korun. Ingoty jsou uloženy v Národním archeologickém muzeu v Cagliari (jižní Sardínie) a část z nich se využívá v detektorech pod horou Gran Sasso.

Římské olovo

Z olověných cihliček je v detektoru OPERA postaveno 31 stěn, ve kterých je celkem 150 000 cihliček o celkové hmotnosti 1 300 tun. Mezi stěnami jsou plastové scintilátory, jejichž signál je sváděn svazky optických vláken. Ze záznamu scintilátorů lze automaticky vyhodnotit, ve kterých cihličkách by mohl být užitečný záznam (úspěšnost je 70 až 80 %). Robotické zařízení automaticky podle souřadnic vyjme podezřelé cihličky a předá je na vyvolání. Automaty vyvolají jednotlivé citlivé vrstvy a naskenují je pod mikroskopem. Skenování jedné cihličky trvá celý den. Vše je plně automatizováno, od balení cihliček, přes jejich ukládání do detektoru OPERA, vyjímání, vyvolání, skenování a uložení pořízených dat. Detektor je doplněn magnetickými spektrometry a dalšími pomocnými zařízeními. V průměru je zaznamenáno 46 interakcí mionových neutrin za den a předběžně se počítalo s jednou interakcí tauonového neutrina za rok. Úspěšnost nalezení rozpadu tauonu na elektronElektron – 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. je 3,4 %, na mionMion – 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. 2,8 % a na pionPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. 2,4 %. Celková úspěšnost zaznamenání události je tak kolem 9 %.

Aldebaran před detektorem OPERA. Černé části jsou detekční stěny z cihliček.

Detail stěny z detekčních cihliček.

Po svislé konstrukci se šplhá robot, který vyjímá cihličky z nitra stěn (tahá je za pomocí pásu, který je součástí stěny). Vytažené cihličky putují na vyvolání a skenování. Na jejich místo robot vkládá cihličky nové.

Stavba detektoru byla dokončena v roce 2006, kdy proběhly první testy. V plném provozu je detektor od roku 2008, kdy bylo zaznamenáno 1698 událostí, v roce 2009 to bylo již 3 500 událostí. Dne 31. května 2010 byl oznámen první nalezený rozpad tauonu, což znamená, že bylo zachyceno tauonové neutrino. Jde o historicky první tauonové neutrino zachycené jako produkt oscilace neutrin. Odhaduje se, že v celkové kolekci posbíraných dat by mohla být až tři tauonová neutrina (ze seriózních odhadů plyne přibližně jedna událost za rok). V tuto chvíli je nejdůležitější pokračování ve sběru dat a analýza zaznamenaných událostí, ze které bude možné zpřesnit odhad hmotnosti neutrin a jejich mixážních úhlů (viz AB 46/2005).

Zařízení pro skenování vyvolané emulze.

Odkazy