Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 37 – vyšlo 30. září, ročník 9 (2011)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Pohybujú sa neutrína nadsvetelnou rýchlosťou?

Michal Marčišovský

Neutrína sú elektricky neutrálne 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)., ktoré podľa našich súčasných znalostí interagujú iba prostredníctvom slabej silySlabá 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). a gravitácieGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. To znamená, že neutrína interagujú s hmotou veľmi slabo a ťažko sa detegujú. Poznáme tri rodiny leptónov. V slabých interakciách sa neutrína vyskytujú v pároch s nabitými leptónmi. Sú označené podľa svojej príslušnosti k leptónu ako (ν_e, ν_μ, ν_τ).

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.

Úvod

Za posledné dve dekády štúdium slnečných a atmosférických (v spŕškach sekundárneho kozmického žiareniaKosmické 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.) neutrín poukázalo na fenomén ich oscilácie. To implikuje fakt, že neutrína majú nenulovú hmotnosť. Priame merania hmotnosti sú obtiažne a podarilo sa to iba u elektrónového neutrína pomocou kinematiky beta rozpaduBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. tríciaTritium – velmi těžký vodík, v jádře má jeden proton a dva neutrony. Jde o nestabilní jádro s poločasem rozpadu 12,32 let., kde bola nepriamo určená jeho hmotnosť menej ako 2 eVElektronvolt – 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.. Bolo zistené, že podobne ako kvarky, aj neutrína sa mixujú navzájom, dôsledok toho je, že podliehajú osciláciám. Vôňa (flavor) neutrína je superpozícia vlastných stavov hmotnosti (viz AB 2005/46)

kde α reprezentuje vlastný stav vône, ktorý participuje v slabých interakciách a index i je vlastný stav hmotnosti. Z toho vyplýva, že musia existivať aspoň 3 vlastné stavy hmotnosti. Matica U sa nazýva PMNS matica podľa jej objaviteľov Pontecorvo, Maki, Nakagawa, Sakata. Táto matica sa dá parametrizovať pomocou 3 uhlov Θ a jednej komplexnej fáze δ zodpovednej za narušenie 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. (očakáva sa, že bude nenulová vďaka slabej interakcii). Dôsledok mixovania sú oscilácie vône, kde neutríno vytvorené so špecifickou leptónovou vôňou bude v nejakej vzdialenosti od zdroja detegované ako neutríno s inou vôňou. Ako neutríno putuje priestorom, fázy troch vlastných stavov hmotnosti sa šíria trochu inými rýchlosťami kvôli rozdielom v svojej hmotnosti. Viac v AB 46/2005. Z oscilácií môžeme odvodiť iba kvadrát rozdielu vlastných stavov hmotnosti. V súčasnosti sú známe veľkosti rozdielu kvadrátov hmotnosti z pozorovaní oscilácií slnečných neutrín (δm₂₁²) a atmosférických (δm₃₂²) neutrín, a to:

|Δm₂₁²|=m₂² − m₁² = (8 ^+0.6_−0.4) ×10⁻⁵ eV²; |Δm₃₂²| = (2.43±0.13)×10⁻³ eV²).

Z toho je možné usúdiť zloženie ostrých stavov vône. Keďže ale nevieme či je stav ν₂ ťažší než stav ν₃, existujú 2 možné kombinácie. ktoré sú znázornené na nasledujúcom obrázku. Čo sa týka mixážnych uhlov, bolo odmerané θ₁₂ = 33.9^+2.4_−2.2°, θ₁₃ < 10.3° s 95 % CLCL – míra spolehlivosti (z anglického Confidence Level). Ve statistice se touto zkratkou označuje spolehlivost odhadu určená z většího počtu měření. a θ₂₃ = 45±7°. Spresňovanie meraní v súčasnosti pokračuje.

V súčasnosti sa zväzky miónových neutrín pripravujú z rozpadov počas letu kaónovýchKaon – 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. a piónovýchPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. zväzkov. Protónový zväzok je vyslaný na terč, kde po dopade vyprodukuje široké spektrum sekundárnych častíc, okrem iného aj pióny a kaóny. Nabité pióny podliehajú vo väčšine prípadov rozpadu π⁺ → μ⁺ + ν_μ, pričom nabité kaóny sa rozpadajú K⁺ → μ⁺ + ν_μ v zhruba 64 % prípadov. Tieto častice majú výnimočnú vlastnosť relatívne dlhej doby života a teda „dlhého“ doletu, a je možné ich dráhy fokusovať pomocou magnetickej optiky. Vyprodukované neutrína vďaka svojej malej hmotnosti letia v smere letu pôvodnej častice. Energetické spektrum neutrín je určené kinematikou rozpadu a magnetickou optikou.

Experimenty

K2K (KEK to Kamioka) experiment fungoval v rokoch 1999 až 2004. Patril k prvej generácii neutrínových experimentov, potvrdil oscilácie atmosférických neutrín. Zväzok miónových neutrín sa produkoval v 12 GeV 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. v laboratóriu KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B mezony obsahující b nebo anti-b kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m. v japonskej Tsukube a bol detekovaný detektorom KamiokaNDE.

NuMi/MINOS (Neutrinos at the Main Injector/Main Injector Neutrino Oscillation Search) (od 2005) sa skladá zo sandwichovej štruktúry železa a scintilátorov. Využíva protóny s energiou 120 GeV z hlavného injektoru urýchľovača TeVatronTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011.. Má 2 detektory, 1 000-tonový NEAR detektor zhruba 1 km od produkčného terčíku a druhý 5 400-tonový FAR detektor v podzemí bane Soudan v Minnesote 735 km od laboratória. Meria pomer spektra energií neutrín vzdialeného a blízkeho detektoru. Detektor presne zmeral |Δm₃₂|² z úbytku udalostí miónových neutrín a zmeral a uhol Θ₃₂ a určil horný limit na Θ₁₃. Jedným z jeho výsledkov bolo meranie rýchlosti neutrín, v roku 2007 uverejnili výsledok (v−c)/c = 5.1±2.9 (stat+syst) ×10⁻⁵ (68 % CLCL – míra spolehlivosti (z anglického Confidence Level). Ve statistice se touto zkratkou označuje spolehlivost odhadu určená z většího počtu měření.). Stredná rýchlosť v tomto experimente síce vyšla nadsvetelná, ale štatistická chyba bola natoľko veľká, že výsledok nikto takto neinterpretoval.

CNGS/OPERA (od 2008) pozoroval dňa 30. 5. 2010 prvýkrát osciláciu ν_μ → ν_τ.

T2K (Tokai to Kamioka, Japonsko) je projekt využívajúci detektor Super-KamioKande, na ktorý je vyslaný zväzok neutrín z 295 km vzdialeného komplexu urýchľovačov laboratória JPARC. Funguje od roku 2010 a pozoroval oscilácie ν_μ → ν_e a zmeral uhol Θ₁₃.

NOνA (NuMi Off-Axis νe Appearance) má byť dokončená v roku 2013. Využíva hlavný injektor urýchľovača TeVatron, a podobne ako MINOS má mať 2 detektory, jeden blízky a druhý vzdialený 810 km. Mimo presného merania parametru Θ₁₃ sa pokúsi zmerať aj fázu δ pretože modifikuje pravdepodobnosti oscilácie v opačných smeroch rôznym spôsobom pre neutrína a anti-neutrína.

CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso)

CNGS je projekt 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., kde sa generujú neutrína, ktoré sú posielané pod zemou do 732 km vzdialeného podzemného laboratória LNGSLNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Národní laboratoř Gran Sasso. Byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla, přibližně 120 km od Říma. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. 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). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty. (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) v Taliansku.

Experiment CNGS/OPERA.

Protóny extrahované zo 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). s energiou 400 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. narážajú do terča, kde sa produkujú sekundárne častice. KaónyKaon – 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. a piónyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. majú relatívne dlhú dobu života a fokusujú sa systémom magnetickej optiky do rozpadového tunela dlhého kilometer a nasmerovaného na Gran SassoLNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Národní laboratoř Gran Sasso. Byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla, přibližně 120 km od Říma. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. 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). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty., kde sa rozpadávajú na mióny a miónové neutrína. Na jeho konci sa nachádza hadrónový absorbátor, ktorý pohltí zvyšné častice a cez neho prejdú iba mióny a neutrína. Na ich detekcii slúžia miónové detektory.

Terčová jednotka je zostavená z 13 grafitových tyčiek o priemere 4÷5 mm ktoré sú dlhé 10 cm s medzerami 9 cm medzi nimi. Systém magnetickej fokusácie pozostáva z fokusátoru a reflektoru, ktoré prostredníctvom prúdových pulzov o intenzite prevyšujúcej 150 kA usmerňujú dráhy nabitých častíc v širokom rozmedzí hybností do úzkeho zväzku. Zväzok prekoná vzdialenosť zhruba 732 km k detektoru OPERAOPERA – zařízení, kde se zpívá a tančí jako o život. a jeho pološírka je 2.8 km. CNGS vyrobí asi 10¹⁷ neutrín denne, ktoré vyšle na cieľ a z ktorých asi 10¹¹ prejde detektorom OPERA.

Počas každého CNGS cyklu urýchľovacieho supercyklu 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). prebehnú dve extrakcie 400 GeV protónov z prstenca SPS trvajúce asi 10.5 μs a s medzerou medzi nimi 50 ms. Pulz má priemernú intenzitu 2.4×10¹³ protónov. CNGS zväzok je tvorený miónovými neutrínami so strednou energiou 17 GeV, je kontaminovaný asi 2.1 % podielom miónových antineutrín pochádzajúcich z rozpadu miónov v rozpadovej trubici a asi 0.9 % podielom elektrónových neutrín. Jeho vlastnosti boli optimalizované na štúdium oscilácií a jeho energia je dostatočná na produkciu τ leptónov. CNGS bolo uvedené do prevádzky v roku 2006.

Detektor OPERA

Experiment OPERA bol navrhnutý (AB 45/2010) na skúmanie oscilácií ν_μ → ν_τ. Je umiestnený v podzemnom laboratóriu LNGS v Taliansku. Vďaka schopnosti pozorovať elektróny má možnosť pozorovať aj oscilácie ν_μ → ν_e. Kolaborácia má 30 členských inštitúcií z 11 krajín a na experimente pracuje 160 fyzikov. Fyzikálny program sa rozbehol s dokončením detektoru OPERA v júni roku 2008. Detekcia na experimente OPERA prebieha prostredníctvom zachytenia neutrína v objeme detektoru a jeho premeny pôsobením slabej interakcie na detekovateľný elektrón, mión alebo tauón, čo sú opäť ostré stavy vône.

Experiment OPERA sa skladá z 2 identických častí, tzv. supermodulov. Každý má 900 ton vážiaci olovený terč s jadrovými fotoemulziami a miónový spektrometer s dipólovým magnetickým poľom zakrivujúcim dráhy nabitých častíc, čo umožňuje merať hybnosť detekovaných častíc. Detektor OPERA je hybridný, kombinuje zároveň detekciu v reálnom čase rýchlou elektronikou a detekciu pomocou jadrových emulzií. Kombinácia technológií umožňuje presnú identifikáciu v čase (kedy nastala udalosť) a zároveň disponuje možnosťou presného merania hybnosti vyprodukovaných častíc pomocou rekonštrukcie dráh zo sub-mikrónovou presnosťou v magnetickom poli. Základnou stavebnou jednotkou terča je „tehla“, jednu tehlu tvorí 56 striedajúcich sa vrstiev olova s hrúbkou 1 mm a vrstiev jadrovej emulzie. Viac detailov v AB 45/2010.

Target tracker (terč) sú na seba kolmé pásy plastových scintilátorov umiestnených medzi vrstvami olovených tehiel s emulziami detekujúcich polohu zásahu častice. Optický signál je vyčítaný prostredníctvom optických vlákien do fotonásobičov. Poloha zásahu je dôležitá pre určenie súradnice tehly s jadrovou emulziou za účelom automatizovanej výmeny a vyvolania. Z target trackeru sa extrahuje časová informácia o prílete neutrína.

Ďalšou súčasťou je miónový spektrometer. Jeho úlohou je identifikovať mióny, presne merať náboj (pomocou smeru zakrivenia dráhy častice) a hybnosť (podľa veľkosti zakrivenia dráhy v magnetickom poli) detekovaných miónov. Skladá sa z detektorov typu RPC (Resistive Plate Chamber) a driftových komôr konštrukciou veľmi podobných veľkým detektorom ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. na LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015..

Postup merania

Rýchlosť bola určená ako pomer vzdialenosti CERN – OPERA a času letu neutrína. Dáta pre meranie sa zbierali od roku 2009 a počet detekovaných neutrín dosiahol 16 111, čo zodpovedá asi 10²⁰ primárnych protónov v CNGS. Štruktúra časového priebehu zväzku je meraná rýchlym zväzkovým prúdovým transformátorom (BCT), kde prelietavajúci protónový prúd naindukuje signál do vinutia BCT. Presnosť merania času je nesmierne dôležitá na určenie rýchlosti neutrín, obyčajný GPSGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. systém s presnosťou 100 ns nestačí, a preto v roku 2008 boli nainštalované v CERNeCERN – 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. a aj v LNGSLNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Národní laboratoř Gran Sasso. Byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla, přibližně 120 km od Říma. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. 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). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty. presné systémy s céziovýmiCesium – Caesium, chemický prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Cesium je měkký (měkkčí než vosk), lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od ostatních alkalických kovů je spolu s rubidiem těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Cesium bylo objeveno roku 1860 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. hodinami naviazanými na GPS. Prístroje boli kalibrované a otestované tromi nezávislými metrologickými inštitúciami. Rozdiel medzi časovými základňami je 2.3 ± 0.9 ns. Vzdialenosť medzi BCT a detektorom OPERA bola odmeraná a je 731 278.0 ± 0.2 m.

Schéma merania času letu neutrína.

Čas letu neutrína nemôže byť určený z jediného neutrína zachyteného v OPERE, pretože ľubovoľný protón mohol počas doby extrakcie (10.5 μs) vyprodukovať neutríno. Výsledok je možné získať porovnávaním priemeru časových rozdelení intenzity protónov dopadajúcich na terčík a časového rozdelenia doby príletu detekovaného neutrína. Pre každé detekované neutríno sa do databázy ukladá tvar protónového pulzu, ten sa spriemeruje s ostatnými a štatistickou metódou maximálnej vierohodnosti sa spočíta pravdepodobnostná funkcia pre každú extrakciu. Rozdelenie intenzít protónových zväzkov sa porovná s rozdelením času príletu neutrín. Metodika merania je detailne uvedená v [2].

Sčítané časové priebehy (červene) intenzít protónových pulzov pre prvú a druhú extrakciu zo SPS. Čierne sú zobrazené časy príletu neutrín posunuté o dobu letu (slepá analýza bez korekcií). Korelácia je viac než zjavná.

Analýza bola vykonávaná zámerne naslepo a bez presných čísel, aby nebola zaujatá. Výsledok bol δt (blind) = TOFc – TOFν = (1048.5±6.9 (stat)) ns. Od získaného výsledku sa odpočítajú korekcie na upresnenú vzdialenosť, korekcie na presne zmerané odchýlky časomerných prístrojov a oneskorenie signálu elektronikou. Získal sa tak výsledok

δt = TOFc – TOFν = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns.

Je to štatisticky významný výsledok zodpovedajúci 6.1-násobku štandardnej odchýlky. Dá sa interpretovať ako 18.2±2 m, o ktoré neutrína predbehli svetlo na dráhe CNGS–OPERA. Tento výsledok je približne o rád presnejší ako iné merania, napríklad na experimente MINOS v 2007. Znamená, že platí

(v−c)/c = 2.48±0.28 (stat)±0.28 (syst) ×10⁻⁵ (68 % CLCL – míra spolehlivosti (z anglického Confidence Level). Ve statistice se touto zkratkou označuje spolehlivost odhadu určená z většího počtu měření.)

Konzistencia medzi δt (blind) a extrakciami v rokoch. Nebola pozorovaná závislosť
na sezónnych a ani denných efektoch.

Na podmnožině dostupných dát sa študovala tiež možná energetická závislosť δt na energii neutrín. Výrazná závislosť by mohla naznačiť fyzikálne procesy, ktoré sú za ňu zodpovedné. Udalosti sa rozdelili do 2 intervalov so strednými energiami 13.9 GeV a 42.9 GeV.

Naľavo je δt ako funkcia pre neutrína rôznych energií na podmnožine štatistiky (CC).
Napravo je výsledok pre všetky zaznamenané udalosti. Žiadny významný rozdiel nebol pozorovaný.

Vedci zodpovední za meranie sa dôsledne vyhli interpretácii a výsledky poskytli vedeckej komunite k diskusii. Experiment NuMi/MINOS plánuje vykonať podobné meranie aby overil výsledky merania experimentu OPERA. Výsledky je možné očakávať v priebehu jedného roku.

Odkazy