Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 7. února, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2014

Od roztržitého chemika k detektorům temné hmoty

Marie Kratochvílová

Roztržitost byla na počátku příběhu, který nás provede od počátků výroby krystalů až k současným metodám detekce temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.. V roce 1916 mladý polský chemik a metalurg Jan Czochralski omylem namočil psací pero nikoli do kalamáře, ale do kelímku s tekutým cínemCín – Stannum, patří mezi kovy, které jsou známy lidstvu již od starověku především jako součást slitiny zvané bronz. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Nachází využití při výrobě slitin (bronz, pájky, ložiskový kov), v potravinářství při dlouhodobém uchovávání potravin (pocínování konzerv, cínové fólie) a při výrobě uměleckých předmětů., který zapomněl na svém pracovním stole. Rychle pero vytáhl a s překvapením zjistil, že na hrotu pera viselo tenké vlákno ztuhlého kovu. Nahradil tedy pero vláknem, pokus zopakoval a následnou analýzou kovu zjistil, že jde o monokrystal cínu. Tímto způsobem se mu časem podařilo produkovat monokrystaly o průměru okolo 1 mm a délce až 150 cm. Metoda byla původně určena ke studiu rychlosti krystalizace kovů jako cín, zinekZinek – měkký lehce tavitelný kov, používaný člověkem již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se při výrobě barviv a jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organizmu. a olovoOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků., ale její skutečný potenciál se ukázal později, během 50. let, kdy byla využívána v rámci polovodičové techniky k přípravě monokrystalů germaniaGermanium – vzácný polokovový prvek, nalézající největší uplatnění v polovodičovém průmyslu. Objevil jej roku 1886 německý chemik Clemens A. Winkler a pojmenoval jej podle své vlasti. Využívá se při výrobě tranzistorů, integrovaných obvodů a světlovodné techniky.. V dnešní době je Czochralského růst krystalů rutinní metodou v průmyslu (právě za účelem produkce precizně orientovaných křemíkových čipů), ale i při přípravě zcela nových materiálů v rámci fyziky pevných látek – oboru, který se zabývá magnetismem, nekonvenční supravodivostí a dalšími neobvyklými jevy. Nás ovšem zajímá zcela specifická aplikace, a to použití monokrystalů jako detektorů určených pro odhalení nových elementárních částic.

Na levém obrázku je monokrystal křemíku o průměru 20 cm určený k výrobě čipů. Zdroj: Smithsonian. Na pravém obrázku vidíte trojobloukovou pec na přípravu monokrystalů Czochralského metodou. Zdroj: [3].

Krystaly – látky charakteristické pravidelným uspořádáním částic (atomů, molekul nebo iontů), z nichž jsou složeny. Rozlišujeme monokrystalické a polykrystalické látky. Polykrystaly se skládají z drobných monokrystalů – náhodně orientovaných zrn o velikosti od desítek mikrometrů až po milimetry, monokrystaly se uspořádávají dalekodosahově (s nenulovou korelací orientace i ve velké vzdálenosti). Vlastnosti polykrystalů jsou izotropní (tj. mají ve všech směrech uvnitř krystalu stejné vlastnosti), monokrystalické látky vykazují naopak anizotropii, která je jednak objektem výzkumu a jednak ji lze využít v mnoha technických aplikacích. EURECA – European Underground Rare Event Calorimeter Array, projekt, který by měl navázat na předchozí projekty EDELWEISS (italská Modana) a CRESST (umístěný pod italskou horou Gran Sasso), si klade za cíl úspěšnou detekci částic temné hmoty (tzv. WIMPů) až do účinného průřezu 10−10 pb (pikobarnu, 1 barn = 10−28 m2, jde přibližně o plochu jádra uranu). Pro předchozí projekty tato hodnota dosahovala 10−8 pb, ale předpověď supersymetrických modelů ohledně účinného průřezu se pohybuje právě kolem hodnot o dva řády nižších. Cílem je vybudovat kryogenní detektory zchlazené na milikelvinové teploty s celkovou absorpční hmotností 1 tuna, což při celkovém účinném průřezu bude představovat pouze několik událostí ročně. Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. WIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná.

 

Průběh přípravy

Jak tedy celá příprava monokrystalů probíhá v praxi? Má leccos společného s prvotním Czochralského omylem – základem je zárodek upevněný na tyčce, nejlépe krystalek dříve připraveného monokrystalu, který se ponoří do taveniny materiálu, z něhož poroste krystal. Poté se tyčka velmi pomalu zvedá (podle materiálu rychlostí desetin milimetrů až několik desítek milimetrů za hodinu) a zároveň otáčí. Na jejím konci se přitom začíná nořit z taveniny monokrystal. Nejprve se zformuje úzký krček a posléze se začne vznikající ingot rozšiřovat do požadovaných rozměrů, které se regulují jednak rychlostí tažení, a jednak intenzitou ohřevu taveniny. Při dosažení požadovaných rozměrů se začne opět monokrystal zužovat, až se nakonec oddělí od původní taveniny. Celý proces trvá obvykle několik hodin. Při tomto kroku se zvláště vyplatí opatrnost, protože rychlé oddělení krystalu od taveniny znamená prudké zchlazení, které může indukovat strukturní poruchy. Ty by se na kvalitě krystalu podepsaly natolik, že by ho už nebylo možné použít k výrobě detektorů.

Zaměřme se nyní podrobněji na přípravu monokrystalů určených přímo do detektorů částic temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.. V současné době mají detektory v rámci experimentu CRESST-IICRESST – Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers, experiment hledající částice temné hmoty (zejména wimpy), který je umístěn pod italskou horou Gran Sasso. Skládá se ze 17 modulů obsahujících scintilační látku CaWO₄, jenž pracují za extrémně nízké teploty 15 mK. Při této teplotě lze detekovat zahřátí modulu způsobené interakcí s wimpem. Detektor tedy pracuje jako mimořádně citlivý kalorimetr. Na detektoru CRESST bylo v roce 2011 nalezeno 67 signálů, které odpovídají interakci wimpů s detekční látkou a nelze je vysvětlit žádným jiným známým způsobem. válcovitý tvar o průměru 40 mm a výšce 40 mm, s hmotností přibližně 300 g. To znamená, že ingoty monokrystalů musí kvůli válcovitému tvaru mírně přesáhnout 40 mm průměru. Do kelímku z čistého rhodia se umístí přibližně 1,6 kg CaWO₄ připraveného reakcí CaCO₃ a WO₃. Jako zárodek je použit již dříve připravený monokrystal CaWO₄, orientovaný do definovaného krystalografického směru s přesností 2 stupně. To zajistí, aby i výsledný krystal rostl v takto definovaném směru. Kelímek se nejprve zahřeje ve vysokofrekvenční peci až na téměř 1 700 °C, aby se prášek zcela rozpustil. Celý proces se odehrává v kyslíkové atmosféře při nízkém tlaku 10 mbar. Nepříjemným problémem při přípravě monokrystalů je jejich značná ochota štípat se v určitých směrech daných jejich anizotropními vlastnostmi. Při jisté velikosti může dojít vlivem vnitřních pnutí, daných deformací vlastní vahou, k uštípnutí části krystalu. Řešením je nechat vyrůst krystaly s velmi dlouhými „rameny“, která minimalizují radiální mechanické síly vedoucí k prasknutí krystalu. Princip je vlastně podobný tomu, jak středověcí architekti stavěli gotické katedrály. Předpokládá se, že na projekt EURECAEURECA – European Underground Rare Event Calorimeter Array, projekt, který by měl navázat na předchozí projekty EDELWEISS (italská Modana) a CRESST (umístěný pod italskou horou Gran Sasso), si klade za cíl úspěšnou detekci částic temné hmoty (tzv. WIMPů) až do účinného průřezu 10⁻¹⁰ pb (pikobarnu, 1 barn = 10⁻²⁸ m², jde přibližně o plochu jádra uranu). Pro předchozí projekty tato hodnota dosahovala 10⁻⁸ pb, ale předpověď supersymetrických modelů ohledně účinného průřezu se pohybuje právě kolem hodnot o dva řády nižších. Cílem je vybudovat kryogenní detektory zchlazené na milikelvinové teploty s celkovou absorpční hmotností 1 tuna, což při celkovém účinném průřezu bude představovat pouze několik událostí ročně. bude potřeba CaWO₄ krystalů o celkové hmotnosti přibližně 500 kg.

Nalevo: Formování ingotu před vlastním růstem. Zdroj: [3].
Napravo: Ukončování růstu zužováním ingotu. Zdroj: [3].

Vlastní detekce

Jak vlastně probíhá samotná detekce částice temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou., tzv. WIMPuWIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná., v krystalu? Očekává se, že při velmi vzácné události, kdy se WIMP v krystalu elasticky rozptýlí na těžkém atomovém jádře wolframuWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. a vyvolá zpětný ráz s energií řádově několik 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.. Energii zpětného rázu lze zaznamenat několika způsoby, buď ve formě světla (scintilační detektory), nebo jako ionizaci (polovodičové detektory), či ve formě fononů (kryogenní detektory). Přitom je nutné rozlišit, zdali se jedná o zpětný ráz elektronový (vyvolaný částicemi β a γ) či jaderný (vyvolaný částicemi temné hmoty), který produkuje mnohem méně scintilačního světla. Kryogenní detektory představují v tomto směru významnou výhodu, protože disponují energetickým rozlišením, které dokáže oddělit události rázů elektronových a jaderných. Zatím není jasně stanoveno, jaké typy detektorů budou vybrány právě pro projekt EURECA, ale pravděpodobně se použije kombinace více typů.

V současnosti dávají nenulový signál nejasného původu detektory 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., CRESSTCRESST – Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers, experiment hledající částice temné hmoty (zejména wimpy), který je umístěn pod italskou horou Gran Sasso. Skládá se ze 17 modulů obsahujících scintilační látku CaWO₄, jenž pracují za extrémně nízké teploty 15 mK. Při této teplotě lze detekovat zahřátí modulu způsobené interakcí s wimpem. Detektor tedy pracuje jako mimořádně citlivý kalorimetr. Na detektoru CRESST bylo v roce 2011 nalezeno 67 signálů, které odpovídají interakci wimpů s detekční látkou a nelze je vysvětlit žádným jiným známým způsobem. a CoGeNTCoGeNT – Coherent Germanium Neutrino Technology, experiment hledající částice temné hmoty (zejména wimpy), který je provozován v americkém dole Soudan v Minnesotě. Aktivní látkou je mimořádně čistý krystal germania o hmotnosti 440 gramů, který je chlazen na teplotu kapalného dusíku. Kolem je stínění ze tří vrstev olova ²¹⁰Pb, polyetylénu s borem, hliníku a 20 cm tlusté vrstvy plastu. Detektor začal sbírat data v prosinci 2009. V květnu 2011 obsahovala data z 442 dnů pozorování několik set záblesků s dobře patrnou roční periodicitou signálu. Jde o jeden ze tří detektorů s nenulovým signálem.. Doufejme, že projekt EURECAEURECA – European Underground Rare Event Calorimeter Array, projekt, který by měl navázat na předchozí projekty EDELWEISS (italská Modana) a CRESST (umístěný pod italskou horou Gran Sasso), si klade za cíl úspěšnou detekci částic temné hmoty (tzv. WIMPů) až do účinného průřezu 10⁻¹⁰ pb (pikobarnu, 1 barn = 10⁻²⁸ m², jde přibližně o plochu jádra uranu). Pro předchozí projekty tato hodnota dosahovala 10⁻⁸ pb, ale předpověď supersymetrických modelů ohledně účinného průřezu se pohybuje právě kolem hodnot o dva řády nižších. Cílem je vybudovat kryogenní detektory zchlazené na milikelvinové teploty s celkovou absorpční hmotností 1 tuna, což při celkovém účinném průřezu bude představovat pouze několik událostí ročně., který umožní sledovat procesy s až o dva řády menším účinným průřezem, určí zdroj tohoto signálu, ať již půjde opravdu o záchyt WIMPůWIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná., čímž by projekt přispěl k odhalení původu temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou., nebo o jiný fyzikální jev, který sám o sobě nepochybně také nebude nezajímavý.

Nalevo: Monokrystal CaWO₄ při přípravě ve vysokofrekvenční peci. Zdroj: [5]. Napravo: Nařezané a vyleštěné kusy CaWO₄ krystalu; zleva doprava: koncová část krystalu, zbytek válce, krystal určený k výrobě detektoru, ramena a krček. Zdroj: [4].

Odkazy