Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 43 – vyšlo 23. prosince, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

43/2016

Radioaktivní rozpad a další neutrinová záhada

Petr Kulhánek

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 částice, které dlouhodobě dráždí mysl jak špičkových odborníků, tak širší veřejnosti. Od předpovědi existence částice v roce 1930 uplynulo 26 let, než byla polapena v detektoru jednoho z bloků jaderné elektrárny v Savannah River ve Spojených státech. V šedesátých letech 20. století se už dařilo rutinně chytat sluneční neutrina na chlorovém detektoru 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, ovšem byla jich přibližně třetina oproti očekávanému počtu. Definitivní řešení tzv. „slunečního skandálu“ přišlo až v roce 1998, kdy byly na japonském detektoru Super-KamiokandeSuper-Kamiokande – japonská neutrinová observatoř z roku 1996 umístěná 1 000 m pod povrchem hory Ikeno ve starém zinkovém dole poblíž městečka Kamioka. Horniny nad detektorem jsou ekvivalentní 2 700 metrům vodního sloupce. Nádoba detektoru obsahuje 50 000 tun vody, na stěnách je 13 000 fotonásobičů, průměr nádoby je 40 metrů. Detektor detekuje Čerenkovovo záření elektronu nebo mionu vzniklého srážkou elektronového nebo mionového neutrina s neutronem. Z tvaru kužele Čerenkovova záření lze snadno odlišit elektronové a mionové neutrino. V průměru je zachyceno jedno atmosférické neutrino za hodinu a půl. V roce 1998 byl oznámen objev oscilací neutrin. V roce 2001 byl detektor vážně poškozen. Oprava trvala 5 let a stála 25 milionů USD. objeveny oscilace atmosférických neutrin (vzájemné přeměny elektronových, mionových a tauonových neutrin vznikajících dopadem kosmického záření na atmosféru Země) a o několik let později potvrdil Sudburský detektorSNO – Sudbury Neutrino Observatory, podzemní těžkovodní Čerenkovův detektor v Ontariu v Kanadě. Je určen zejména pro detekci slunečních neutrin. Umístěn je v blízkosti městečka Sudbury ve starém niklovém dole Creighton 2 100 m pod zemí. Do akrylátové nádoby s průměrem 12 metrů je nalito 1 000 tun ultračisté těžké vody. Vně akrylátové koule je měřicí sféra o průměru 17 m, na které je umístěno 9 600 fotonásobičů. Vše je ponořeno do kontejneru s čistou vodou o rozměrech 22×32 m. V detektoru byly v roce 2001 potvrzeny oscilace slunečních neutrin. v Kanadě oscilace slunečních neutrin. Detektor Homestake detekoval jen elektronová neutrina, proto byl jejich tok ze Slunce nižší než ukazovaly výpočty. Další potíže přinesla neutrina v letech 2010 až 2011, kdy se zdálo, že mezi částicovým komplexem 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. (Švýcarsko/Francie) a podzemní laboratoří v 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. (Itálie) se neutrina pohybují nadsvětelnou rychlostí. Ani tentokrát se nakonec senzace nekonala a ukázalo se, že za problém může povytažený kabel synchronizace mezi podzemním a nadzemním pracovištěm v Gran Sasso. Experiment ale definitivně prokázal existenci těžko zachytitelné oscilace mionového neutrina na tauonové. Problémů s neutriny bylo mnohem více a zdá se, že se stále opakují. Jakoby neutrina zkoušela fantazii tvůrců odvážných teorií. V současnosti je otevřená otázka, zda sluneční neutrina dokáží nějakým způsobem ovlivnit radioaktivní rozpad probíhající na Zemi. Některé experimenty tuto odvážnou hypotézu nade vši pochybnost potvrzují, jiné ji nade vši pochybnost vyvracejí. A tak je tu opět problém a neutrina bodují v pomyslném souboji s fyzikální komunitou.

Neutrina, kresba Ivan Havlíček.

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.

Problém první – roční variace

Celou záležitost odstartoval v roce 2008 Ephraim Fischbach z americké Purdueovy univerzity. Se svým týmem analyzoval data z beta rozpadu křemíkuKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). ³²Si a alfa rozpadu radiaRadium – šestý prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, silně radioaktivní, vzniká v rozpadové řadě uranu a thoria. Radium bylo objeveno roku 1898 Marií Curie-Sk³odowskou, jejím manželem Pierem a Gustavem Bémontem v jáchymovském smolinci. ²²⁶Ra, která byla pořízena v Brookhavenské národní laboratořiBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω⁻ předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku. na Long Island v letech 1982 až 1986. Vědci odhalili, že rozpady vykazují oscilace s periodou jeden rok. Takové zjištění bylo velkým šokem, protože od doby, kdy v roce 1930 zformulovali Ernest Rutherford, James Chadwick a Charles Ellis rozpadový zákon, se předpokládalo, že radioaktivní rozpad probíhá za všech okolností naprosto stejně. Analýza alfa rozpadu radia ²²⁶Ra z dat pořízených v německém PTBPTB – Physikalisch-Technische-Bundesandstalt, německý národní metrologický ústav, který je nejvyšší německou autoritou řízenou přímo spolkovou vládou. PTB disponuje řadou špičkových laboratoří a má obdobnou úlohu jako NIST ve Spojených státech a NPL ve Velké Británii. U zrodu ústavu stáli Werner von Siemens a Hermann von Helmholtz. Založili ho v roce 1887, tehdy s názvem PTR (Physikalisch-Technische Reichsanstalt). Ústav je orientován na základní fyzikální výzkum v mnoha odvětvích. vedla ke stejným oscilacím poločasu rozpaduPoločas rozpadu – doba, za kterou se jádro radioaktivního izotopu rozpadne s pravděpodobností 1/2. . Koincidence výsledků obou nezávislých měření, a navíc různých druhů rozpadu, byla velmi výrazná. Navíc se ukázalo, že oscilace kopírují průběh roční vzdálenosti Země od Slunce, proto se nabízelo vysvětlení, že původ oscilací rozpadů křemíku a radia nějak souvisí se Sluncem. Hovořilo se o roční variaci fundamentálních konstant, která nějak kopíruje sluneční aktivitu i o dalších možnostech. Ti nejodvážnější hledali souvislost s temnou hmotou a ročními variacemi signálu, který je měřen od roku 1996 na detektoru temné hmoty DAMA/LIBRADAMA/LIBRA – experiment hledající částice temné hmoty (wimpy) v italské národní laboratoři pod horou Gran Sasso. Experiment poskytuje jakýsi signál již od roku 1996. Jde o scintilační NaI detektor. V první fázi (1996 až 2002) byl detektor provozován s 87 kilogramy scintilační látky pod názvem DAMA (DArk MAtter). Od roku 1998 byla v signálu rozpoznána relativně slabá roční variace. Ta by mohla být způsobena tím, jak Země v průběhu roku letí střídavě ve směru toku wimpů a proti toku wimpů vázaných gravitačně s Galaxií. Od roku 2003 pracuje detektor pod názvem Libra s 233 kg scintilační látky NaI/Th a v získávaném signálu jsou roční variace velmi výrazné. v Gran SassoNLGS – 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, 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.. Velmi populární se stala představa, že za oscilace mohou neutrina přicházející ze Slunce a nějakým způsobem ovlivňují radioaktivní rozpad. Úvahy se točily kolem možné interakce neutrin s polními částicemi 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)., které jsou za rozpad zodpovědné. Účinný průřez reakci 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. je ale natolik malý, že by muselo jít o zcela nové a neznámé mechanizmy a o fyziku za hranicí 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. elementárních částic. Velká část fyziků věřila, že jde o nějaký přístrojový efekt, snad spojený se změnami teploty na Zemi v průběhu ročního cyklu počasí nebo nějaký jiný mechanizmus související s ovlivněním kvality detekce v různých ročních obdobích.

V průběhu následujících let se objevovaly jak články ve prospěch souvislosti oscilací s tokem neutrin ze Slunce, tak články tuto souvislost vyvracející. Ve prospěch hypotézy hovořila měření provedená na Ohijské státní univerzitě (OSU), kde nalezli oscilace při sledování rozpadu chlóruChlór – chloros, toxický světle zelený plyn, druhý člen skupiny halogenů. Byl objeven roku 1774 Carlem Wilhelmem Scheelem, ale dnešní pojmenování mu dal až roku 1810 anglický chemik sir Humphry Davy. Je hojně používán v různých technologiích, například k dezinfekci vody, průmyslově se používá kyselina chlorovodíková, dříve DDT k hubení hmyzu, polychlorovabné bufenily a jiná svinstva. ³⁶Cl. Šlo o data získaná z pravidelného týdenního kalibrování Geigerova-Mullerova čítačeGM čítač – Geigerův-Müllerův počítač. Jde o detektor ionizujícího záření. Plyn v detekční trubici změní po vniknutí částice svou vodivost. Detektor je citlivý na energetické fotony, alfa částice a elektrony. Není citlivý k neutronům. určeného pro rutinní sledování jaderné bezpečnosti. Rozpady v této sadě dat z let 2005 až 2011 vykazovaly zcela jasnou roční variaci. Naopak měření, která oscilace nepotvrdila, byla opět provedena v německém PTBPTB – Physikalisch-Technische-Bundesandstalt, německý národní metrologický ústav, který je nejvyšší německou autoritou řízenou přímo spolkovou vládou. PTB disponuje řadou špičkových laboratoří a má obdobnou úlohu jako NIST ve Spojených státech a NPL ve Velké Británii. U zrodu ústavu stáli Werner von Siemens a Hermann von Helmholtz. Založili ho v roce 1887, tehdy s názvem PTR (Physikalisch-Technische Reichsanstalt). Ústav je orientován na základní fyzikální výzkum v mnoha odvětvích.. Jako detektor byl tentokrát použit kapalný scintilátor a k vyhodnocení dat jedna z nejpřesnějších metod TDCR (Triple-to-Double Coincidence Ratio, poměr trojí a dvojí koincidence). Roční variace zmizela jako mávnutím proutku. Zejména tento experiment vedl k tomu, že množství fyziků podporujících hypotézu, že by poločas rozpadu látek měl souviset s množstvím neutrin přicházejících ze Slunce, výrazně poklesl a většina fyzikální komunity se přiklonila k názoru, že jde o přístrojový efekt vyvolaný na některých druzích přístrojů sezónními vlivy.

Měření radioaktivního rozpadu v Ohijské státní univerzitě (OSU) za pomoci Geigerova-Mullerova čítače vykazuje jasnou roční variaci počtu impulzů. Maximální počet rozpadů je měřen v lednu a v únoru, minimální v červenci a v srpnu. Naopak, data získaná z kapalného scintilátoru a vyhodnocená metodou TDCR v německém metrologickém institutu PTB roční variaci vylučují. Modrá křivka odpovídá druhé mocnině převrácené hodnoty vzdálenosti Země a Slunce měřené v astronomických jednotkách. Zdroj: PTB.

Problém druhý – krátkodobé variace

Zastánci hypotézy o ovlivnění radioaktivního rozpadu slunečními neutriny také nezaháleli. Své síly spojily tři skupiny – první byla vedena Peterem Sturrockem ze Stanfordské univerzity, druhá Ehraimem Fischbachem z Purdueovy univerzity (jeho skupina variace v roce 2008 objevila) a třetí Jeffreyem Scarglem z Amesova výzkumného centra NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.. Letos provedli znova pečlivou spektrální analýzu dat z rozpadu křemíku ³²Si a chlóru ³⁶Cl pořízených v Brookhavenské národní laboratořiBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω⁻ předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku.. Samozřejmě se objevila stará známá roční variace, která pravděpodobně se slunečními neutriny nesouvisí. Ve spektrech se ale objevily dvě další periody. První odpovídá 12,5 cyklům za rok, což je perioda rotace slunečního jádra. Vědci porovnali spektrální analýzy dat s obdobnou analýzou toku neutrin v japonském detektoru Super-Kamiokande a výsledek byl více než zajímavý. I neutrinový záznam vykazuje tuto periodu shodnou s rotací slunečního jádra. U neutrin je to pochopitelné, protože neutrina ze slunečního jádra přicházejí. Nicméně u radioaktivního rozpadu je přítomnost takové periody nepřímou indícií, že by nakonec přece jen mohly variace rozpadu nějak s neutriny souviset. Periodu rotace slunečního nitra totiž vlivem přístrojových anomálií sotva vysvětlíme. Záhada tedy trvá. Druhá perioda ve frekvenčním spektru rozpadů je kolem 9,8 cyklů za rok, v toku neutrin se objevuje perioda nepatrně jiná, 9,4 cyklu za rok. To by ale mohlo souviset s tím, že data pořízená z radioaktivního rozpadu jsou z jiného období než neutrinová data ze Super-Kamiokande. V budoucnosti by to chtělo porovnat data ze stejného období, a pokud by se obě periody shodovaly, stala by se souvislost radioaktivního rozpadu s tokem neutrin jedním z hlavních fyzikálních témat současné fyziky.

Frekvenční analýza dat z radioaktivního rozpadu chlóru ³⁶Cl, křemíku ³²Si a toku neutrin z detektoru Super-Kamiokande. Barvy značí zastoupení dané frekvence (modrá nejnižší, červená nejvyšší). U všech datových sérií je výrazná frekvence na 12,5 cyklech za rok, což odpovídá rotaci slunečního jádra. Na datech z rozpadu křemíku je další výrazná frekvence na 9,8 cyklech za rok, v datech rozpadu chlóru je tato frekvence také, ale je méně výrazná. V toku neutrin je nejbližší výraznou frekvencí 9,4 cyklu za sekundu, což není totéž. Nicméně neutrinová sada je z jiného období. Zdroj: BNL/Super-Kamiokande/Stanford.

Závěr

Není to poprvé, co nám neutrina připravila záhadu, jejíž řešení není vůbec jednoduché. V tuto chvíli se zdá, že souvislost mezi roční periodou poločasu rozpadu měřenou některými skupinami a tokem neutrin ze Slunce neexistuje, protože tato variace není měřena ve všech experimentech. Rozumné vysvětlení ale stále chybí a tvrzení, že jde o reakci přístrojů na sezónní změny je poněkud vágní a postrádá jakýkoli hlubší fyzikální podklad. Letošní objev dalších period při sledování radioaktivního rozpadu, z nichž jedna souhlasí s rotací slunečního jádra, vrací celou záhadu na počátek. Samozřejmě, že může jít o náhodu, ale shoda stejné frekvence v datech z radioaktivního rozpadu a v nahrávce neutrinového toku ze Super-Kamiokande je docela výrazná. Situaci mohou vyřešit jen další pečlivá měření. Pokud by se ukázalo, že koincidence mezi tokem neutrin ze slunečního nitra a poločasem rozpadu některých izotopů opravdu existuje, znamenalo by to revoluci v neutrinových detektorech. Namísto obřích detektorů stavěných kdesi hluboko pod zemí by totiž bylo možné zaznamenávat přítomnost neutronového toku v několik gramů velkém vzorku radioaktivního materiálu umístěného na malém laboratorním stole. Metoda by pravděpodobně o neutrinech neposkytla tolik údajů jako stávající detektory, ale základní informaci o neutrinovém toku ze Slunce ano.

Kresba japonského detektoru Super-Kamiokande, který tvoří nádoba s 50 000 tunami vody umístěná kilometr pod zemí, na jejíchž stěnách je 13 000 fotonásobičů. Ty sledují Čerenkovovo záření produkované rychlými elektrony a miony, které vznikají při srážkách neutrin s atomovými jádry. Na tomto detektoru byla nalezena periodicita shodná s měřenou proměnností radioaktivního rozpadu prvků v datech získaných v Brookhavenské národní laboratoři. Zdroj: Super-Kamiokande.

Odkazy