Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 11. ledna, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2013

Poprvé byla uskutečněna komunikace za pomoci neutrin

Petr Kulhánek

Neutrina jsou částice připomínající duchy. Nejenom, že procházejí běžnou látkou, ale za letu mění svou podobu a přeměňují se jedno v druhé. Neutrina by byla ideálním nosičem informaceInformace – veličina, která má různý význam v různých oborech. V technických vědách znamená zprávu zapsanou jako uspořádaný řetězec symbolů. Nejmenší informací je jeden bit odpovídající zápisu dvoustavové veličiny (0/1, ano/ne atd.). Ve fyzice může jít o cokoli, co je schopno ovlivnit stav systému. Informaci lze přenášet za pomoci vln nebo jiných signálů. Logaritmickou mírou informace obsažené v látce je entropie. v prostředích, kterými se nemůže šířit elektromagnetický signál – pod vodou, uvnitř 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., napříč galaxiemiGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry. atd. Vzhledem k velmi slabé interakci neutrin s látkou by k takové komunikaci byly zapotřebí velmi mohutné svazky neutrin a velmi hmotné detektory. Přenášení zpráv je proto hudbou vzdálené budoucnosti. V březnu 2012 byl ale učiněn první krok. Skupině fyziků pod vedením Daniela Stancila ze Státní univerzity v Severní Karolíně se ve FermilabuFermilab – 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. podařilo přenést za pomoci neutrin jednoduchou zprávu – slovo „neutrino“ – na vzdálenost jednoho kilometru, z toho 240 metrů vedlo skrze dolomitovou skálu. Odborníci na internetové technologie by zajisté ohrnuli nos – rychlost přenosu byla pouhých 0,1 bitu za sekundu a chybovost přenosu 1 %. Fyzikové jsou samozřejmě jiného názoru – provedený experiment jasně prokázal, že komunikace prostřednictvím neutrin je v principu možná.

Budova s reaktorem P-105 jaderné elektrárny v Savannah River,
na kterém bylo objeveno v roce 1956 neutrino.

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.

Neutrinový svazek NuMI

Když byl v roce 2011 uzavřen pro nedostatek financí druhý největší urychlovač na světě, americký 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., neznamenalo to definitivní konec veškeré částicové fyziky ve FermilabuFermilab – 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 provozu zůstal hlavní injektor, který dokáže urychlit 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. na energii 120 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.. Protony je možné v podzemním tunelu NuMI (Neutrinos at the Main Injector, neutrina v hlavním injektoru) přeměnit na jeden z nejintenzivnějších neutrinových svazků na světě. Jak se to dělá? Urychlené protony jsou nejprve namířeny na uhlíkovýUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. terč. Z něho vylétá řada částic, nejvíce jsou zastoupeny nabité pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. a kaonyKaon – 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., které je možné fokusovat magnetickým polem do málo rozbíhavého svazku. Fokusované piony a kaony letí do rozpadového tunelu naplněného heliemHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Zde se na vzdálenosti 675 metrů většina z nich rozpadne na neutrina. Vytvořený svazek prochází absorbérem, kde je pohlcena většina nechtěných částic, ke kontrolním detektorům mionů. Svazek neutrin je nasměrován k detektoru MINERvA; za rozpadovým tunelem neutrina proletí k detektoru celkem 240 metry (12 m + 18 m + 210 m) dolomitové skály. Do detektoru vchází téměř čistý svazek mionových neutrinNeutrino 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. (88 % mionových neutrin, 11 %  mionových antineutrin a 1 % elektronových neutrin) o průměru několika metrů. Svazek neutrin je pulzní – jeden pulz je vytvořen 2,25×10¹³ protony a trvá 8,1 μs. Opakování pulzu je možné nejdříve po čase 2,2 s. Průměrná energie neutrin ve svazku je 2,8 GeV s pološířkou 3,2 GeV.

Zařízení NuMI. Protony urychlené v hlavním injektoru bývalého Tevatronu
se přemění na svazek přesně směrovaných pulzů neutrin [1].

Detektor MINERvA

Neutrina svazku jsou namířena do podzemního detektoru MINERvA (Main Injector Experiment for ν-A). Název má připomínat římskou bohyni řemesel a moudrosti Minervu. Předposlední písmeno ale není „vé“, ale řecké „ný“, symbol pro neutrino. Detektor je umístěn 100 metrů pod zemí a jeho celková hmotnost je 170 tun, z toho 3 tuny tvoří vnitřní část pro sledování stop. Kolem této vnitřní části jsou pláty se scintilačními proužky. Plátů je celkem 200 a jejich roviny tvoří šestiboký hranol, jehož stěny mají tři různé orientace (roviny plátů ze sousedních stěn svírají úhel 60°). Tyto tři detekční roviny se označují X U a V. Scintilační proužky v plátech detekují nabité 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 pocházejí jednak z interakce 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 horninou před detektorem a jednak z interakce neutrin s jádry atomů detektoru samotného (C, Pb, Fe). Většina zachycených mionů pochází z horniny před detektorem. Detektor je dimenzován tak, že pokud by jím svazek neutrin nepřetržitě procházel 4 roky, zachytil by detektor přibližně 16 milionů událostí. Mion, který vznikne interakcí neutrina s jádrem nějakého atomu, proletí v detektoru několik metrů, a proto je zachycen v několika desítkách scintilačních proužků. Mion generuje ve scintilačním proužku záblesk, který je veden optickými vlákny do 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. nad detektorem a dále zpracován. Z průletu je možné nalézt hybnost i energii původního neutrina. Mnoho nezávislých segmentů minimalizuje šum z kosmického záření.

Ze stavby detektoru MINERvA. Zdroj Fermilab.

Přenos informace

Již jsme se zmínili, že 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. přicházejí do detektoru v pulzech. Průměrný pulz byl vytvořen 2,25×10¹³ 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. a trvá 8,1 μs. Z takového pulzu je v průměru možné zachytit 0,81 události (detekce neutrina). Nejsou ale výjimečné i vícenásobné detekce v průběhu jednoho impulzu. Detekovaný impulz neutrin lze považovat za binární jednotku „1“ – samozřejmě, že vícenásobná detekce neutrin přispěje k rozpoznání, že byl přenesen bitbit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 2¹⁰ = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím. s hodnotou „1“. Pokud není generován impulz, není zachyceno žádné neutrino a situaci vyhodnotíme tak, že byl přenesen bit s hodnotou „0“. Za pomoci posloupnosti nul a jedniček můžeme přenést libovolnou informaci. Samozřejmě, že posílaná informace musí obsahovat synchronizační část, aby bylo na druhé straně skály známo, kdy byly/nebyly vysílány jednotlivé impulzy. Týmu pod vedením Daniela Stancila ze Státní univerzity v Severní Karolíně se takto podařilo za pomoci neutrin přenést slovo „neutrino“. Dosažený tok informace byl 0,1 bitu za sekundu a chybovost nepřesáhla 1 %. Sekvence byla přenášena dvakrát, aby byla jistota správné interpretace. Celková vzdálenost mezi místem kódování a detektorem byla 1035 metrů, z toho 240 metrů vedlo dolomitovou skálou. Jde o první experiment tohoto druhu, jehož jediným cílem bylo prokázat, že komunikace za pomoci neutrin je možná. Pro praktické využití by byly potřebné intenzivnější svazky a mohutnější detektory. Zde se k podobným experimentům přímo nabízí využít největší detektor neutrin na světě Icecube, který má objem 1 km³ a je vybudován v antarktickém ledu (viz AB 2/2011). Je otevřenou otázkou, zda by vyspělé civilizace (pokud by existovaly) volily pro komunikaci napříč Galaxií (pokud by chtěly komunikovat) elektromagnetické signály nebo spíše ničím netlumená neutrina. Pro pozemšťany by neutrinová komunikace byla nepochybně velmi užitečná pro podmořské ponorky a pro komunikaci skrze Zemi k protinožcům. Přenos většího množství informacíInformace – veličina, která má různý význam v různých oborech. V technických vědách znamená zprávu zapsanou jako uspořádaný řetězec symbolů. Nejmenší informací je jeden bit odpovídající zápisu dvoustavové veličiny (0/1, ano/ne atd.). Ve fyzice může jít o cokoli, co je schopno ovlivnit stav systému. Informaci lze přenášet za pomoci vln nebo jiných signálů. Logaritmickou mírou informace obsažené v látce je entropie. za pomoci neutrin je ale zatím mimo naše technologické možnosti.

Detekce více neutrin v průběhu jednoho impulzu [1]. V průměru je ovšem
zachyceno jen 0,81 neutrina na impulz.

Způsob kódování zprávy. Je patrné, že z obdržených bitů je velmi dobře
možné rekonstruovat vyslaný signál [1].

Odkazy