Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 12 – vyšlo 16. dubna, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

12/2010

Neutrina z nitra Země pozorovaná v experimentu BOREXINO

Petr Kulhánek

Neutrina jsou elementární částice nepatrné hmotnosti, které s látkou interagují jen slabou interakcí, snadno projdou například i celou Zemí. Vědci postavili několik desítek detektorů, které zachytávají neutrina různého původu. Neutrina vznikají v jaderných reaktorech, v termojaderném kotli hluboko v nitru hvězd (včetně našeho SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.), v horních vrstvách atmosféry při interakci kosmického záření s atomy a molekulami vzduchu, při explozích supernov, ale i v nitru Země při radioaktivním rozpaduRadioaktivita – radioaktivní rozpad, přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká ionizující záření. Pokud se změní v jádře počet protonů, dojde ke změně prvku. Rychlost přeměny je charakterizována poločasem rozpadu. Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel u solí uranu. látek. Neutrinové detektory se staví zpravidla hluboko pod zemí nebo pod mořskou hladinou, kam již pronikne jen zlomek částic kosmického zářeníKosmické 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., nicméně pro neutrina není cesta skrze kilometry horniny či vody žádným problémem. V dnešním bulletinu se seznámíme s detektorem BOREXINO umístěným v Itálii pod horou Gran Sasso.

Leptony – 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). 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.

Národní laboratoř Gran Sasso

Národní laboratoř v Gran Sasso (LNGS, Laboratori Nazionali del Gran Sasso) je italská laboratoř umístěná v hloubce 1 400 m pod povrchem, nachází se mezi městy L'Aquila a Teramo, přibližně 120 km od Říma. Experimenty jsou rozmístěny na boku tunelu dlouhého 10 km, který prochází pod horou Gran Sasso mezi oběma městy. Jsou zde tři velké experimentální haly, každá má délku 100 m, šířku 20 metrů a výšku 18 metrů. Laboratoř má 750 zaměstnanců z 22 zemí světa a v současnosti provozuje 18 experimentů zaměřených na sledování vlastností neutrin a detekci částic temné hmoty. Názvy jednotlivých experimentů jsou: BOREXINO, COBRA, CRESST, CUORE, DAMA/LIBRA, ERMES, GERDA, GIGS, ICARUS, LUNA, LVD, OPERA, PULEX2, TELLUS, UUNDERSEIS, VIP, WARP, XENON.

Většina výzkumu je orientována na neutrina. V blízkosti není žádný jaderný reaktor, který by produkoval neutrinový šum, a tak jde o ideální místo pro výzkum neutrin. Směrem na Gran Sasso je namířen svazek neutrin ze střediska jaderného výzkumu 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., experiment se nazývá CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso). Neutrina procházejí pod zemí a je možné sledovat jejich oscilace (změnu jednoho druhu neutrina na jiný v důsledku nenulové hmotnosti neutrin). V laboratoři jsou ale sledována i neutrina sluneční, atmosférická, neutrina ze supernov a neutrina vznikající v nitru 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. (geoneutrina).

Národní laboratoř v Gran Sasso. Experiment BOREXINO je v hale C. Zdroj LNGS.

Experiment CNGS, ve kterém letí neutrina ze střediska CERN do Gran Sasso.

BOREXINO

Detektor BOREXINO byl zprovozněn v italské Národní laboratoři Gran Sasso v roce 2007, nachází se v hale C. Původním záměrem byla detekce slunečních neutrin s nízkou energií, která pocházejí z pp řetězce a CNO cyklu. Nízkoenergetická neutrina jsou produkována prvky ⁷Be a ⁸B. Podle prvku borBor – Borum, nejlehčí z III. hlavní skupiny prvků. Svými vlastnostmi leží na hranici mezi kovy a nekovy. Byl izolován roku 1808 sirem Humphry Davyem, Gay-Lusacem a L. J. Thénardem v nepříliš vysoké čistotě a teprve roku 1824 ho Jakob Berzelius označil za samotný prvek. Využívá se v metalurgii a sklářském průmyslu., anglicky boron, byl detektor pojmenován jako BOREXino (BORon EXperiment). Detektor poněkud připomíná obří cibuli. Jeho srdcem je nylonový balón (sféra) o průměru 8,5 metru, jenž je naplněn 278 tunami scintilační tekutiny. Tou je difenylozazol rozpuštěný v pseudokumenu v množství 1,5 gramu na litr. Psoudokumen je průhledná smradlavá tekutina, která se vyskytuje v uhelném dehtu a ropě v množství cca 3 %. Z chemického hlediska jde o aromatický uhlovodík, izomer 1,2,4-trimetylbenzenu. Scintilační kapalina je stíněna od vnějšího záření (jehož zdrojem je především radonRadon – Radonum, nejtěžší prvek ve skupině vzácných plynů, je radioaktivní a nemá žádný stabilní izotop. Byl objeven roku 1900 Friedrichem Ernstem Dornem. V geologii slouží studium obsahu izotopů radonu v podzemních vodách k určení jejich původu a stáří. Radon se využívá i v medicíně jako zářič s krátkým poločasem rozpadu.) zásobníkem s 890 tunami stínícího roztoku (5 gramů dimetylftalátu v jednom litru pseudokumenu). Stínícím roztokem je naplněna vnější nylonová sféra o průměru 11,5 metru. Ta je uložena v ocelové slupce SSSSSS – Stainless Steel Sphere, ocelová koule, která odděluje vnitřní kapalnou část italského detektoru neutrin BOREXINO od okolí. o průměru 13,7 metru. Ocelová slupka je ponořena do vodního tanku (průměr 18 metrů), který obsahuje mimořádně čistou vodu. Ta slouží jako pasivní ochrana před neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a gama zářením. Pod detektorem jsou dva ocelové stínící pláty. Větší má rozměr 8×8 metrů a tloušťku 10 cm, menší má 4×4 metry a tloušťku 4 cm.

Záblesky ze scintilační tekutiny jsou zachytávány vnitřním detektorem složeným z 2 212 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. s rozměrem 20 cm. Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. způsobené prolétávajícími 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. je detekováno 208 fotonásobiči tzv. vnějšího detektoru. Jejich rozměr je opět 20 cm. Detektor aktivně zachytává především elektronová antineutrina za pomoci inverzního beta rozpadu:

ν_e + p → e⁺ + n

PozitronPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. vzniklý při záchytu v kapalném scintilátoru téměř okamžitě anihiluje s elektronemElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. za vzniku γ fotonuFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. s energií 511 keVElektronvolt – 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.. Neutron je přibližně za 256 μs zachycen 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. za vzniku fotonu s energií 2,22 MeV. Záchyt 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. je tak doprovázen dvěma po sobě jdoucími fotony charakteristických energií.

Schéma detektoru BOREXINO. Zdroj: LNGS.

Pohled na ocelovou slupku SSS při montáži. Zdroj: LNGS.

Instalace vnitřních fotonásobičů. Zdroj: LNGS.

Geoneutrina

Jedním z úkolů detektoru bylo hledání geoneutrin – neutrin vznikajících při radioaktivním rozpadu v nitru Země. Radioaktivita by měla být jedním z významných zdrojů vnitřního ohřevu zemského tělesa. Za dva roky práce detektoru bylo zachyceno pouze 10 geoneutrin. Tento výsledek je v rozporu s hypotézou, že radioaktivita je základním mechanizmem ohřevu Země. Na japonském detektoru KamLAND zachytili v průběhu roku 2008 pouze 73 geoneutrin, což by italský výsledek potvrzovalo. Nicméně je třeba obezřetnosti. Nejistota při interpretaci zachyceného neutrina jako geoneutrina je značná a výzkum geoneutrin by potřeboval specializovaný detektor umístěný hluboko pod mořskou hladinou, v místě, kde je zemská kůra tenká a podíl geoneutrin z nitra Země je vyšší vzhledem k ostatním zdrojům neutrin

.

Intenzita geoneutrin v závislosti na jejich energii počítaná z předpokládaného zastoupení
radioaktivních izotopů v zemském nitru. Zdroj: W. F. McDonough, 1999.

Klip týdne: Borexino

Borexino. Borexino je neutrinový detektor postavený v italské Národní laboratoři Gran Sasso. Detektor je postaven v hloubce 1,5 km pod horou Gran Sasso, v sousedství tunelu mezi městy L'Aquilla a Teramo. Detektor je především určen k výzkumu slunečních neutrin, je ale schopen zaznamenávat i neutrina vzniklá při radioaktivním rozpadu uvnitř Země. Detektor vypadá jako cibule s mnoha slupkami. Ve vodním tanku o průměru 18 metrů je umístěna ocelová slupka a v jejím nitru dvě nylonové sféry. V té vnitřní je scintilační kapalina, která při zachycení neutrina vydá dva charakteristické záblesky. Vnější obaly slouží jako stínění. Unikátní klip vznikl složením 149 záběrů pořízených při stavbě detektoru. V úvodní sekvenci vidíte vnitřek ocelové slupky (průměr 13,7 m) pokrytý mnoha fotonásobiči. Následují záběry z nafukování dvojice nylonových sfér v roce 2004. Vnitřní sféra má průměr 8,5 metru, vnější 11,5 metru. Detektor zachytil první neutrina v roce 2007. (avi/divx, 8 MB)

Literatura