Obří past na nejmenší částici

PETR TOMEK  |  
detektor

Detektory neutrin ukryté na nejnedostupnějších a nejtemnějších místech světa jsou gigantické, nádherné a nepochopitelné.Jsou to rozhodně nejpodivnější stavby, jaké za svou historii lidé vytvořili – umělé jeskyně vyplněné jezerem ultračisté vody, do které zírají tisíce vykulených očí fotonásobičů. Jindy fotonásobiče střeží obrovský balon naplněný minerálním olejem a při dalším provedení mohou mít i podobu jakéhosi umělého chaluhového lesa na dně moře o rozloze mnoha kilometrů, kde se v hloubce několika stovek metrů pod hladinou vznášejí řetězce podivných koulí. Byl by to jistě impozantní pohled – jistě by byl, ale není. Všechna ta podivuhodná zařízení jsou totiž tak stavěna právě proto, aby nikdy nespatřila denní světlo. Zlatavé fotonásobiče zírají do tmy, aby spatřily mnohem vzácnější světlo vznikající při průletu částic, které jsou trpaslíky dokonce v subatomárním světě.

Záhadná neutrina

Neutrino je subatomární částice ze skupiny leptonů. Její existence byla poprvé předpovězena roku 1931 švýcarským fyzikem Wolfgangem Paulim, který je použil při vysvětlení spektra beta rozpadu, rozpadem neutronu na proton a elektron. Při tomto procesu podle něj vznikala zároveň také nedetekovatelná částice s energií a momentem hybnosti odpovídajícím úbytku energie a momentu hybnosti u vzniklých částic. Od tohoto matematického modelu trvalo dalších 25 let, než byla první neutrina skutečně detekována. Čínský vědec Kan-Chang Wang už roku 1942 vytvořil návrh na postup detekce neutrin. Teprve roku 1956 se ale Clydu Cowanovi, Fredericku Reinesovi, F. B. Harrisonovi, H. W. Kruseovi a A. D. McGuireovi podařilo neutrina skutečně detekovat. Za tento zdařilý experiment byli pak právem odměněni Nobelovou cenou za fyziku. Do dnešního dne se situace kolem neutrin ještě poněkud zkomplikovala. Nemáme totiž jediné neutrino, ale hned tři – nebo spíše šest – elektronové neutrino ve, mionové neutrino vµ a tauonové neutrino vr. Podobně jako jiné subatomární částice mají i neutrina své antičástice – antineutrina.

Detektory

I když přístroje pro detekci neutrin používají v zásadě stejné nebo alespoň podobné součásti, dělí se do dvou velkých skupin. Přístroje první skupiny mívají v názvu slovo detektor. První detektory využívaly k detekci obrácený postup rozpadu beta v nádržích s roztokem solí gallia. Takovým detektorem byl Gallex neboli Gallium Experiment, který probíhal v letech 1991 a 1997 v astrofyzikální laboratoři Nazionali del Gran Sasso ležící v podzemí horského masivu v italském kraji Abruzzo. Název je odvozen od 1001 tun roztoku trichloridu gallia.

Projekt byl organizován v mezinárodní spolupráci Francie, Německa, Itálie, Izraele, Polska a USA pod vedením Max-Planckova institutu pro jadernou fyziku v Heidelbergu. Dnes jsou bazény nebo kulovité nádrže naplněné zpravidla kapalným scintilátorem – látkou, ve které vznikají při průchodu částic světelné záblesky. Všechny stěny i strop takové nádrže bývají osázené fotonásobiči. To jsou velmi citlivé detektory schopné zachytit i nejslabší světelné záblesky.Detektory s vnitřní nádrží kapalného scintilátoru bývají poměrně citlivé, jejich nevýhodou ale je, že bývají omezeny rozměry samotné nádrže.

Velikost nádrže se scintilátorem je totiž velmi důležitá. Gigantické rozměry nádrží zvětšují šanci na zachycení neutrin, která jinak díky své nepatrné velikosti prolétávají v prostorech mezi atomy téměř beze ztrát. Podmínkou k jejich zaznamenání je vždycky přímá srážka s jinou elementární částicí. Zatím totiž nedokážeme žádným způsobem zachytit přímo průchod samotného neutrina, a proto zaznamenáváme vlastně až světelnou stopu, kterou vytvoří svým průletem. V současnosti jsou nejlepšími příklady takových detektorů KamLAND a Super-Kamiokande z ostrova Kamioka (Japonsko). Oba patří do komplexu observatoře Kamioka Institutu pro výzkum kosmického záření. Detektor Super-Kamiokande nazývaný někdy také prostě Super-K se nachází v kilometrové hloubce pod povrchem Země v dole Mozumi a byl nedávno rekonstruován po implozi 6600 fotonásobičů v roce 2001. Tvoří ho válcovitá nádrž z nerezové oceli, vysoká 41,4 metru a o průměru 39,3 metru. Jako scintilátor slouží 50 000 tun ultračisté vody. V tomto případě ovšem nevzniká klasické světlo. Nárazy neutrin urychlují elektrony, které pak vysílají do svého okolí Čerenkovovo záření; 11 146 fotonásobičů Super-K, kterými jsou pokryté stěny, dno i strop nádrže, je tedy citlivých právě na toto záření.

KamLAND

na jejím vnitřním povrchu. Ale zatímco nádrž kanadského projektu je naplněna těžkou vodou, japonský KamLAND používá směs minerálního oleje, benzenu a fluorescenčních přísad. Také určení obou zařízení je jiné – zatímco observatoř v Sudbury zachycuje neutrina pocházející ze Slunce, KamLAND má za úkol detekovat antineutrina z jaderných reaktorů. Pokud bychom si jej měli představit, šlo by o velkou místnost ve tvaru válce postaveného na jednu z podstav vyloženou železnými pláty. Na stěnách, na podlaze i stropě této místnosti jsou rozmístěny fotonásobiče. Jde o takzvané „veta“ detektory. Mají zachytit záření jiného druhu, než jsou neutrina, a svou reakcí označit signály z detektoru za neplatné. I když je to s podivem, nejsou neutrina jedinými částicemi schopnými projít horským masivem (ve kterém je detektor zakopán) a ocelovými pláty chránícími vlastní detektor. Uvnitř válcovité místnosti stojí na sloupovitých podpěrách vlastní detektor – osmnáctimetrová ocelová koule naplněná minerálním olejem.V tomto oleji se vznáší třináctimetrový nylonový balon naplněný vlastním scintilátorem – směsí minerálního oleje, benzenu a fluorescenčních přísad. Celý vnitřní povrch ocelové koule je pokryt fotonásobiči čekajícími na světelný záblesk uvnitř balonu, který podá další důkaz o průletu antineutrina.

Neutrinové teleskopy

Koule osázená fotonásobiči, patřící detektoru v Sudbury.

Druhá skupina detekčních zařízení bývá označována jako teleskopy.K přesnosti optických nebo rádiových teleskopů mají ovšem neutrinové teleskopy ještě daleko. Na rozdíl od první skupiny nejsou fotonásobiče neutrinových teleskopů umístěny na stěnách stavby, ale v hermetických modulech zavěšených na dlouhých řetězcích. Takové řetězce se buď ukotvují ve velkých hloubkách na mořském dně, jako v projektu Antares, nebo se spouštějí do hlubokých děr v antarktickém ledovci.

Výhodou trojrozměrného rozestavění detekčních modulů je možnost určit směr dopadajícího záření, a tím i nepřímo jeho pravděpodobný zdroj. Díky tomu, že nejsou takové teleskopy omezeny umělou nádrží, je možné je stavět na obrovských plochách mnoha km2. Příkladem takového teleskopu je IceCube, který se v současné době staví v oblasti jižního pólu. Stejně jako jeho předchůdce Antarctic Muon and Neutrino Detector Array (Amanda), je IceCube budován v hlubokém antarktickém ledu rozmístěním tisíců fotonásobičů (PMT) v hloubce mezi 1450 až 2450 metry. Snímače jsou rozmístěny na „šňůrách“ po šedesáti jednotlivých modulech, do děr v ledu, vyvrtaných pomocí horké vody. Jeho protějškem se má stát neutrinový a muonový teleskop Antares budovaný ve Středozemním moři nedaleko Toulonu (Francie). Zatímco IceCube slouží jako scintilátor led, Antares si musí vystačit s mořskou vodou.

Jeho fotonásobiče proto mají také zvýšenou citlivost na Čerenkovovo záření. Podobný teleskop je také v jezeře Bajkal v hloubce 1200 metrů, ale Antares jej už dnes svou velikostí překonává. V úplném stavu bude mít 12 řetězců dlouhých 350 metrů, z nichž každý ponese 75 optických modulů.Na zkušenosti z projektu Antares má později navázat další mořský teleskop umístěný ve Středozemním moři s názvem KM3NeT.

Průhledné planety

Samozřejmě že běžného člověka musí napadnout, kolik asi podobné výzkumy stojí a jaký z nich asi může být užitek. Neutrina procházejí naším světem stále, aniž by na něj měla nějaký výraznější vliv. K čemu tedy je lov na takovou částici, která, jak je vidět, není ani nijak zvláště vzácná?

Nemělo by nás to tolik překvapovat – vědci často bádají celá desetiletí nad podobnými „neužitečnými“ věcmi, než dojde k jejich skutečnému využití. V případě neutrin je ale zájem vědců více než pochopitelný. Díky tomu, že neutrina procházejí hmotou téměř beze ztrát, dokážou prosvěcovat horské masivy nebo dokonce i planety. Protože zpravidla vznikají při jaderných reakcích, dovolují nám už teď trochu nahlédnout do procesů uvnitř činných hvězd. K takovým významným pozorováním patří například sledování výbuchu supernovy SN 1987A.

Záření z její exploze zasáhlo Zemi 23. února 1987 a bylo zaznamenáno na třech nezávislých neutrinových observatořích. Sovětský detektor Baskan v podhůří Elbrusu tehdy detekoval pět neutrin, IMB (Irvine- Michigan-Brookhaven) jich zachytil osm a Kamiokande II (předchůdce Super-K) detekovalo dokonce jedenáct neutrin. Vzhledem ke skutečné vzdálenosti hvězdy se ovšem tato událost odehrála už před 168 000 lety. V současnosti se neutrinové detektory zaměřují především na činnost Slunce.

ANTARES DĚLÁ RADOST BIOLOGŮM

Vzhledem k tomu, že je neutrinový teleskop Antares umístěn ve Středozemním moři, které je poměrně hojně osídlené nejrůznějšími organismy, bylo by přímo neodpustitelné, kdyby nedostal doprovodný program pro jejich výzkum. Detektory Čerenkovova záření proto doplnily soustavy hlubokomořských kamer k pozorování bioluminiscenčních organismů, sondy

na měření obsahu kyslíku ve vodě a na měření slanosti. V nejbližší době k nim přibude také akustický měřicí systém Amadeus. Francouzský oceánografi cký institut Ifremer, který Antares provozuje, už zpracovává první údaje o podmořské fauně. Neutrina nám už dnes dovolují trochu nahlédnout do procesů uvnitř činných hvězd.

SUBATOMÁRNÍ DŽUNGLE

Kdysi jsme se ve škole učili, že nejmenšími částečkami hmoty jsou atomy. Později jsme se dověděli, že i samy atomy se skládají z menších subatomárních částic a že to jsou elektrony, protony a neutrony. V dnešním pohledu ale vypadá svět subatomárních částic spíše jako džungle s množstvím neznámých a exotických názvů. Dnes jsou elementární částice rozděleny do osmi skupin, které se však navzájem překrývají – leptony, kvarky, intermediální částice, hadrony,

mezony, baryony, bosony a fermiony. Známe 12 druhů leptonů (patří mezi ně i elektrony a neutrina) a 6 druhů (správněji „vůní“) kvarků, 3 druhy intermediálních částic (a předpokládanou částici graviton). Hadrony jsou částice složené z kvarků, které se dále dělí na mezony a baryony. Opět známe dva druhy mezonů – piony a kaony, čtyři druhy baryonů, mezi které patří i protony a neutrony. Podle dalších vlastností pak mohou být stejné částice děleny také na bosony a fermiony. Neutrinový teleskop IceCube je budován v hlubokém antarktickém ledu rozmístěním tisíců fotonásobičů (PMT) v hloubce mezi 1450 až 2450 metry.

oko detektoru

OKO DETEKTORU

Fotonásobiče (PMT) převádějí zachycené fotony na elektrony, které jsou dále vychylovány zvláštními elektrodami (dynodami). Dopad elektronů na dynodu vyvolává emisi většího počtu elektronů. Takto zesílený proud elektronů zachycuje anoda. Při až stomilionovém zesílení je možné zaznamenat i jednotlivý foton. Fotonásobiče tak dokážou zaznamenat dopad částice s přesností v řádech nanosekund.

Nejčtenější