Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 37 – vyšlo 18. září, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Čínský neutrinový experiment JUNO – přípravy vrcholí

Petr Kulhánek

Čína se stává nejen ekonomickou, ale i vědeckou velmocí číslo jedna. Příkladem může být teleportace fotonů na oběžnou dráhu, největší radioteleskop světa FASTFAST – Five hundred meter Aperture Spherical Telescope, čínský radioteleskop o průměru 500 metrů, který byl zprovozněn v roce 2016. Celkem 4 600 odrazných segmentů je zavěšených v krasové proláklině na unikátní lanové konstrukci, která umožňuje přesné tvarování odrazné plochy. Ohniskové přístroje pro devět pásem jsou zavěšeny nad mísou na lanech v pohyblivé kabině. Přístroj pokrývá frekvenční rozsah 0,07÷3 GHz (0,1÷4 m). a mnoho dalších skvělých úspěchů. Spolu s šunty zaplavujícími vietnamské tržnice Čína vyrábí vysoce kvalitní zboží a má k dispozici špičkové technologie. V současné době finišují práce na stavbě největšího neutrinového detektoru světa s kapalným scintilátorem, který bude v testovacím režimu spuštěn v příštím roce. Rutinní sběr dat započne v roce 2023. Jde o fascinující přístroj, který by měl vnést světlo do mnoha záhad obestírajících titěrnou částici látky – neutrinoNeutrina – 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.. V jižní Číně, 700 metrů pod zemí, ožívá unikátní stroj s 20 tisíci tunami kapalného scintilátoru a 45 tisíci fotonásobiči. Nezaměňujte jeho název JUNO s jiným přístrojem téhož jména – sondou pracující na oběžné dráze Jupiteru.

Experiment JUNO. Zdroj: Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics.

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.

Princip detekce

JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) je detektor umístěný tak, aby měl vzdálenost 53 kilometrů od dvou jaderných elektráren Yangjiang a Taishan. Nejde o náhodu, v této vzdálenosti by mělo být minimum výskytu elektronových antineutrin proudících z jaderných reaktorů. Neutrina totiž oscilují – přeměňují se na jiná neutrina a díky tomu jsou v různých vzdálenostech od zdroje maxima a minima výskytu konkrétního typu neutrina. Detektor JUNO je primárně určen pro sledování reaktorových antineutrin. Hravě si ale poradí i s dalšími druhy neutrin přicházejícími z jádra Slunce (termojaderná fúze), z nitra Země (radioaktivní rozpad) či z atmosféry (zde vznikají při interakci kosmického záření s atomy a molekulami horních vrstev atmosféry).

druh neutrin	frekvence záchytu v JUNO
sluneční neutrina	10 až 1000 za den
reaktorová antineutrina	60/den
atmosférická neutrina	několik denně
geoneutrina (antineutrina)	1 až 2 denně

Srdcem detektoru JUNO je akrylátová sféra (akrylát, správně polymetylmetakrylát, je vznešený název pro plexisklo, sféra je vznešený název pro kouli) o průměru 35,4 metru. V ní je kapalný scintilátorScintilační detektor – zařízení využívající scintilátor a fotonásobič k detekci ionizujícího záření. Scintilátor konvertuje energii zachycených částic ionizujícího záření na záblesky viditelného světla, které jsou poté fotonásobičem převedeny na elektrické impulzy a následně značně zesíleny. citlivý na reaktorová antineutrina. Základem scintilátoru je 20 000 tun LAB (lineární alkylbenzen). Antineutrina jsou detekována pomocí inverzního beta rozpadu. Antineutrino interaguje s nějakým protonem scintilátoru a při interakci dojde ke vzniku neutronu a pozitronu. Pozitron vzápětí (za několik nanosekund) anihiluje s některým z elektronů za vzniku dvou fotonů s energií 511 keV. Neutron se o něco později (za zhruba 236 mikrosekund) integruje do okolních atomových jader, přičemž vznikne gama záblesk o energii 2,2 MeV. Záchyt antineutrina je tedy doprovázen vznikem tří charakteristických fotonů v přesném časovém sledu. Součástí scintilátoru jsou další dvě pomocné látky. První je difenyloxazon PPO (Phenyl-Phenyl-Oxazon) v koncentraci 2,5 gramu na litr. Tato látka obsahuje fluor, který záření převede na vlnovou délku 390 nm. Další pomocná látka s koncentrací 1 až 3 miligramy na litr má označení bis-MSB (jde o zkratku chemického názvu p-bis-o-MetylStyryl-Benzen). Tato látka frekvenci dále posune do viditelné oblasti na 430 nm. Záblesky potom detekují 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. umístěné na akrylátové sféře.

Celá akrylátová sféra je ponořena do bazénu s 35 000 tunami vody. Zde jsou další fotonásobiče schopné detekovat neutrina, která interakcí s vodou vytvoří rychlé elektrony nebo miony. Tyto nabité částice se pohybují v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí a za nimi vzniká charakteristický kužel Čerenkovova zářeníČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Bývá součástí detektorů na velkých urychlovačích. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v podzemních nádržích naplněných vodou. Stěny nádrží jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Dalším typem detektoru je speciální pozemský dalekohled, který sleduje Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření., které je zachytáváno fotonásobiči umístěnými ve vodním obalu akrylátové koule. Kapalný scintilátor umožňuje detekci antineutrin. Detekce založená na Čerenkovově záření umožňuje rozpoznání neutrin. V následující tabulce je porovnání detektoru JUNO s podobnými detektory s kapalným scintilátorem – italským BorexinemBOREXINO – neutrinový detektor v italské Národní laboratoři Gran Sasso. Nachází se 1 400 metrů pod zemí. Byl zprovozněn v roce 2007. Je schopen detekovat sluneční neutrina s nízkou energií, která vznikají při reakcích berylia a bóru. Podle prvku bor byl detektor pojmenován (BORon EXperiment). Detektor je naplněn 278 tunami scintilační tekutiny. I s vnějšími stínicími obaly má průměr 18 metrů. Záblesky ze scintilační tekutiny jsou zachytávány 2 212 fotonásobiči. Čerenkovovo záření způsobené prolétávajícími miony je detekováno dalšími 208 fotonásobiči. Detektor je citlivý na sluneční neutrina, geoneutrina a exotické rozpady elementárních částic (například elektronu). a japonským KamlandemKamLAND – 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.. JUNO je detektor, u něhož se očekává dosud nejvyšší rozlišení v energii ze všech detektorů neutrin.

detektor	Borexino	KamLand	JUNO
množství kapalného scintilátoru	300 t	1 000 t	20 000 t
rozlišení energie pro 1 MeV	5 %	6 %	pod 3 %
počet zachycených fotonů na 1 MeV	~ 500	~ 250	~ 1 200

Experiment JUNO v jižní Číně. Zdroj: Kolaborace JUNO.

JUNO a oscilace

Neutrina jsou částice s nenulovou hmotností. Každé ze tří neutrin je ve skutečnosti superpozicí tří hmotových stavů (detaily naleznete v bulletinech AB 46/2005 a 42/2010). Za letu se koeficienty superpozice mění, a proto se mění i pravděpodobnost, že letící neutrino budeme detekovat jako elektronové, mionové či tauonové. Neutrina oscilují, mění se za letu z jednoho typu na jiný. Perioda oscilací souvisí s rozdílem druhých mocnin hmotností jednotlivých hmotových stavů, například Δm₁₂ =m₁² − m₂² a obdobně pro další rozdíly. Z oscilací tedy nemůžeme určit jednotlivé hmotové stavy, ale jen rozdíly druhých mocnin hmotností nebo tzv. mixážní úhly superpozice. I ty jsou dodnes určeny s nedostatečnou přesností: ?m₁₂ známe s přesností 3 % a ?m₂₃.s přesností 6 %. Dokonce ani nevíme, zda platí tzv. normální hierarchie, tj. m₁ < m₂ < m₃ či inverzní hierarchie (opačné pořadí hmotností). Na následujícím grafu jsou oscilace elektronového antineutrina o energii 3 MeV (typické reaktorové antineutrino). Dosavadní detektory byly umístěny v okolí prvního minima výskytu elektronového antineutrina (cca 1,5 kilometru od zdroje). JUNO se nachází v prvním dalším hlavním minimu, které je mnohem hlubší a je ve vzdálenosti 53 kilometrů od reaktoru. Právě v této vzdálenosti od detekrotu JUNO se nachází deset reaktorů patřících dvěma různým jaderným elektrárnám. Ve větší vzdálenosti jsou navíc další jaderné elektrárny. JUNO bude měřit energii neutrin s bezprecedentní přesností 3 % a jeho primárním cílem je výrazně zpřesnit naši znalost hmotových stavů neutrin. To, zda jsou hmotnosti v normální či inverzní hierarchii, se projeví na poloze sekundárních maxim a minim (zákmitů) na křivce oscilací a JUNO by mohlo rozhodnout i tuto dosud nezodpovězenou otázku.

Experiment JUNO je ve vzdálenosti 53 km od dvou jaderných elektráren. Na svislé ose je pravděpodobnost, že elektronové antineutrino nalezneme opět jako elektronové. Na vodorovné ose je vzdálenost pro energii antineutrina 3 MeV, což je typická energie reaktorových antineutrin. Zdroj: [10].

Detektor JUNO

Návrh na stavbu detektoru pochází již z roku 2008. V roce 2013 dostala stavba od Čínské akademie věd zelenou. V roce 2014 vznikla kolaborace JUNO – společenství pracovišť ze 17 zemí. Do kolaborace patří i Univerzita Karlova z České republiky. Slovensko je také zastoupeno. Kolaborace čítá celkem 632 pracovníků. Náklady na stavbu detektoru se odhadují na 330 milionů USD (přibližně 7 miliard Kč). Detektor JUNO se i s experimentální halou nachází 700 metrů pod povrchem. Přístup k detektoru je zajištěn svislou štolou a šikmým tunelem s klesáním 40°. Experimentální hala má na délku 50 metrů. Celková výška vybagrované dutiny je 70 metrů, tedy vyšší než petřínská rozhledna. Vrstva zeminy nad detektorem odstraní podstatnou část neustálého toku mionů vznikajících při interakci kosmického záření s naší atmosférou. Průměr akrylátové koule je 35,4 metru, kolem je podpůrná konstrukce z nerezavějící oceli o průměru 40,1 metru. Samotná akrylátová sféra je konstruována z desek o tloušťce 12 centimetrů. To zajišťuje odolnost vůči tlaku až 3,5 MPa. Uvnitř akrylátové sféry je 20 000 tun kapalného scintilátoru, vně je bazén s 35 000 tunami vody, jejíž teplota bude udržována na 21 °C s přesností 1 °C. Nad detektorem je víko s trojitou vrstvou plastových scintilátorů, které byly přivezeny z italského detektoru Opera. Tyto scintilátory slouží k detekci drah prolétajících mionů.

Experiment JUNO v jižní Číně. Zdroj: Kolaborace JUNO.

Kapitola sama pro sebe jsou speciálně vyvinuté 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.. V detektoru jsou dva typy, jednak o průměru 51 centimetrů (20"), a jednak o průměru 8 cm (3"). Na povrchu akrylátové sféry je umístěno 17 571 půlmetrových fotonásobičů a 25 600 osmicentimetrových. Jejich úlohou je především sledování záblesků z interakce reaktorových antineutrin. Dalších 2 400 půlmetrových scintilátorů sleduje Čerenkovovo záření z bazénu obklopujícího akrylátovou sféru. Celkem je tedy v detektoru přes 45 000 fotonásobičů. Jde o největší množství fotonásobičů soustředěných na jednom místě na světě.

Fotonásobiče pro detektor JUNO mají dvě velikosti: 51 cm a menší 8 cm.
Celkem jich v experimentu bude přes 45 000. Zdroj: Kolaborace JUNO.

Smělé plány

Jak jsme se už zmínili, primárním úkolem detektoru JUNO je přesné určení hmotových stavů neutrin z detailního pozorování jejich oscilací. Detektor ale bude sledovat i sluneční neutrina, atmosférická neutrina, geoneutrina a neutrina ze supernov. Při určování energie dosáhne dosud největší přesnoti (3 %). Detektor bude sledovat prvni neutrina už v roce 2021. Se spuštěním rutinního sběru dat se počítá v roce 2023. Fyzika elementárních částic dostává k dispozici nového pomocníka s mimořádným potenciálem.

Parametry detektoru JUNO
kapalný scintilátor LAB	20 000 tun
PPO (fluor měnící frekvenci)	60 tun
bis-MCB (posun frekvence)	20 až 70 kg
okolní voda	35 000 tun
průměr akrylátové sféry	35,4 m
průměr podpůrné konstrukce	40,1 m
fotonásobiče 51 cm, scintilátor	17 571
fotonásobiče 8 cm, scintilátor	25 600
fotonásobiče 51 cm, vodní bazén	2 400
energetické rozlišení (1 MeV)	< 3 %

Odkazy