Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 12. prosince, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2014

KATRIN

Petr Kulhánek

U našich západních sousedů vyrůstá jeden z největších neutrinových experimentů všech dob – v německém Karlsruhe finišují přípravy obřího spektrometru KATRIN, který by mohl změřit hmotnost elektronového neutrina a při troše štěstí odpovědět i na další důležité otázky neutrinové fyziky: Je 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. samo sobě antičásticí? Existuje dvojný beta rozpad bez účasti neutrina? Jaká je role neutrin při tvorbě vesmírných struktur? Experiment KATRIN by mohl zachytit i reliktní neutrina, která se oddělila při Velkém třesku v jedné sekundě od vesmírné pralátky (viz AB 40/2014).

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.

Experiment KATRIN

KATRIN je zkratkou z anglického Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Hlavním cílem experimentu je změřit hmotnost elektronového antineutrina ze spektra elektronů vylétajících při rozpadu tritia. Jde o nestabilní izotop vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.  s jedním protonem a dvěma neutrony v jádře, který za normální teploty a tlaku vytváří molekuly T₂. Tritium se rozpadá na ³He, elektronElektron – 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. a elektronové antineutrino s poločasem rozpadu 12,32 roku. Při rozpadu si elektron s antineutrinem odnášejí energii 18,6 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., což je nejnižší energie ze všech běžných beta zářičů. Většinou je tato energie rozdělena mezi elektronem a antineutrinem v přibližném poměru 1:1, ale statisticky se občas stane (v jednom z bilionu, tj. 10¹² rozpadů), že si  téměř veškerou energii odnáší elektron a antineutrino má zhruba klidovou energii. Právě s pomocí těchto vzácných rozpadů je možné změřit hmotnost vylétajícího antineutrina.

Rozpad tritia. Zdroj AGA.

Kolaborace KATRIN byla založena v prosinci roku 2002. Příprava experimentu neprobíhala na „zelené louce“. Byly využity zkušenosti z obdobných, ale výrazně menších experimentů v německé Mohuči a ruském Troitsku. Pro srovnání: hlavní spektrometr v Troitsku má průměr 1,3 metru. Spektrometr experimentu KATRIN má průměr 10 metrů, hmotnost 200 tun a celý experiment má délku 70 metrů. Experiment se buduje v severním kampusu německého KIT (Karlsruher Institut für Technologie) a měl by být zprovozněn v roce 2015. Podílí se na něm 150 vědců z Německa, Velké Británie, Ruska, České republiky a Spojených států amerických. Českou účast v experimentu koordinuje Dr. Drahoslav Vénos z Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Jak to celé funguje?

První částí experimentu je zdroj tritia. Jde o 10 metrů dlouhou sekci, do jejíhož středu je vháněno plynné tritium o teplotě 27 kelvinů přes 250 otvorů o průměru 2 milimetry. Tritium difunduje k oběma koncům sekce. Odsáváno je řadou turbomolekulárních pump. Ve zdrojové části experimentu dochází k rozpadu tritia na elektrony, antineutrina a helium ³He. Antineutrina oblast okamžitě opouštějí, zatímco elektrony, tritium a helium vstupují do další sekce experimentu. Tok elektronů ze zdrojové části je 10¹⁰ částic za sekundu.

Druhou částí experimentu je transportní sekce, ve které jsou elektrony vedeny magnetickým polem do další části experimentu. Tritium a helium je odsáváno pryč, ve vlastním experimentu je nežádoucí. Transportní sekce je přibližně stejně dlouhá jako zdroj tritia (řádově 10 metrů) a opouští jí 10¹⁰ elektronů za sekundu.

Z transportní sekce pokračují elektrony ke spektrometru, srdci celé aparatury. Spektrometr má dvě části, nejprve je zařazen malý pomocný spektrometr („Katrinka“), po něm teprve následuje hlavní spektrometr o průměru 10 metrů a hmotnosti 200 tun. Ten funguje jako řiditelný energetický filtr, který podle aktuálního nastavení propustí dále jen elektrony s energií vyšší, než je právě nastavená mez. Poslední částí je detektor, který určuje počet elektronů prošlých filtrací v hlavním spektrometru a pořizuje tzv. integrální spektrum elektronů.

Schéma experimentu KATRIN, jehož celková délka je 70 m. Zdroj: KIT.

Samotný spektrometr tvoří dvě supravodivé cívky, které generují magnetické pole, jehož hodnota je nejvyšší v oblasti cívek a nejnižší uprostřed spektrometru. Letící elektrony krouží kolem magnetických siločar. Za jednu otočku se pole změní málo, a to jak prostorově, tak časově. Takovému pohybu se říká adiabatický pohyb a při něm se zachovává magnetický moment částice (podíl kolmé složky kinetické energie kroužící částice a velikosti magnetického pole).

μ = mv_⊥²/2B = const.

Letící částice se postupně dostává do oblasti stále slabšího pole, čímž se snižuje její kolmá složka rychlosti a narůstá podélná složka. Šroubovice, podél níž se částice pohybuje, se napřimuje a uprostřed spektrometru má částice největší složku podélné rychlosti. A právě v tomto místě jsou válcové elektrody vytvářející brzdné elektrické pole, tzv. elektrostatickou bariéru, která části elektronů znemožní další pohyb. Zkrátka projdou jen elektrony s energií vyšší, než je určitá mez. Na konci spektrometru se elektrony opětovně dostávají do oblasti silnějšího pole, získávají zpět kolmou složku rychlosti a putují do detektoru.

Spektrometr tedy propustí veškeré elektrony s energií vyšší, než je právě nastavená mez (daná elektrickým a magnetickým polem). Celá konfigurace se nazývá MAC-E filtr (Magnetic Adiabatic Collimation combined with an Electrostatic Filter). Pro přesnost nastavení energetického prahu platí

ΔE/E = B_min/B_max.

K měření energetického spektra se využívají jen elektrony v okolí celkové uvolněné energie 18,6 keV (pro takové elektrony mělo uletivší neutrino minimální energii). Prahovou energii lze nastavit s přesností několika elektronvoltů, což umožní změřit hmotnost elektronového antineutrina, pokud je vyšší než 0,35 eV. Pokud je nižší, experiment KATRIN zpřesní horní mez jeho hmotnosti, ta je v současnosti udávána jako 2,3 eV.

Schéma spektrometru v experimentu KATRIN. Zdroj KIT.

Spektrometr a jeho pouť

Obří spektrometr, který je srdcem experimentu KATRIN, byl vyroben v německém Deggensdorfu (město na Dunaji, 60 km vzdušnou čarou jihozápadně od našeho města Sušice). Z tohoto místa bylo třeba dvousettunový kolos o průměru 10 metrů dopravit do 400 kilometrů vzdáleného Karlsruhe. Po silnici to bylo nemožné, v mnoha místech by nebyla dostatečně široká. Proto byl spektrometr naložen na loď a vyrazil po Dunaji zdánlivě opačným směrem – přes Rakousko, Maďarsko, Jugoslávii a Rumunsko až do Černého moře. Zde se nezvyklý transport vydal přes úžiny Bospor a Dardanely do Středozemního moře. Po proplutí Gibraltarem jeho cesta pokračovala Atlantikem podél portugalských hranic směrem k Anglii. Za průlivem La Manch dospěla loď k ústí Rýnu, po kterém se konečně dostala do Karlsruhe. Celá pouť byla dlouhá 8 500 kilometrů a při závěrečném přesouvání městem Karlsruhe místy způsobila srocení lidí, za něž by se nemusela stydět žádná politická demonstrace.

Mapa transportu spektrometru KATRIN. Zdroj: AGA.

Závěrečná fáze transportu spektrometru v Karlsruhe. Zdroj: KIT.

Šestiminutové video z transportu spektrometru KATRIN. Zdroj KIT. (mp4, 40 MB).

Na hranici současné fyziky

Základní úlohou experimentu KATRIN je změření hmotnosti elektronového neutrina resp. antineutrina. Na tomto spektru se ale mohou podepsat i další jevy nacházející se na pomyslné hranici našich současných znalostí. Jeden z nich předpověděl v roce 1962 americký teoretik Steven Weinberg. Uvažoval, že by se radioaktivní tritium dalo využít k záchytům reliktních neutrin, která se oddělila od horké a husté vesmírné pralátky na konci první sekundy Velkého třesku. Weinberga napadlo, že by beta rozpad tritia mohlo jít obrátit. Pokud je namísto emise antineutrina absorbováno reliktní neutrino, dojde k témuž výsledku – tritium se přemění na ³He a elektron. Jde o kanál rozpadu tritia, při kterém nevzniká antineutrino a který by měl ovlivnit energetické spektrum vylétajících elektronů. Experiment KATRIN je dostatečně citlivý, aby mohl vydat svědectví o reliktních neutrinech, poslech dávné minulosti našeho vesmíru. To by byl nepochybně velký průlom pro naše představy o vzniku vesmíru.

Záchyt reliktního neutrina tritiem představuje další možný kanál rozpadu tritia.
Zdroj AGA.

Jiným otevřeným problémem neutrinové fyziky je otázka, zda je neutrino samo sobě antičásticí. Pokud tomu tak je, splňuje jeho vlnová funkce tzv. Majoranovu rovnici, pokud ne, splňuje Diracovu rovnici. První případ s sebou nese zajímavý důsledek. Již v roce 1935 navrhla Maria Goeppert-Mayerová, že pokud by neutrino bylo samo sobě antičásticí, mohl by probíhat tzv. dvojný beta rozpad, při kterém dojde k rozpadu dvou neutronů naráz a z rozpadajícího se jádra vylétnou dva elektrony a přitom nevylétne žádné neutrino. Není ale jasné, zda by mohla taková přeměna fungovat pro lehké jádro tritia, většina kandidátů na dvojný beta rozpad má podstatně vyšší hmotnost.

Dvojný beta rozpad by měl existovat, pokud je neutrino samo sobě antičásticí.
Polní částice W odnáší záporný náboj. Zdroj AGA.

Experiment KATRIN posouvá hranice našeho poznání, bude proměřovat vlastnosti neutrin v oblasti, do které se zatím žádný jiný experiment nepřiblížil. Neutrina nás v dosavadním výzkumu už mnohokrát zaskočila svým atypickým chováním, a tak se můžeme těšit na další záhady spojené s touto „zlobivou“ částicí.

Odkazy