Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 15 – vyšlo 12. května, ročník 21 (2023)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Rodící se neutrinová geofyzika

Petr Kulhánek

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. se rodila před 4,5 miliardami let jako velmi žhavé těleso. Teplo se uvolnilo gravitační kontrakcí a od té doby Země postupně chladne. Jediným současným zdrojem tepla, který má větší význam, je radioaktivní rozpad hornin. Jeho svědectvím jsou geoneutrina pěti druhů (dvě z uranové rozpadové řady, dvě z thorioné rozpadové řady a jedno z rozpadu draslíku). V současnosti umíme zachytit uranová a thoriová 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., staví se ale i detektory, které zachytí i neutrina z rozpadu draslíku. Geoneutrina umožňují mapovat vnitřní strukturu Země a detailně studovat tepelné toky. Radioaktivní rozpad je hnacím motorem naší Země. Odpovídá za proudění látky v zemském plášti i za kompletní tektoniku litosférických desek. Jakýmsi bonusem jsou občasné povrchové proudy magmatu souvisící se sopečnou činností.

Přístroje schopné detekovat geoneutrina. Na pozadí je tok uranových a thoriových
geoneutrin v jednotkách TNUTNU – Terrestrial Neutrino Unit, jednotka toku geoneutrin. Hodnota 1 odpovídá jedné události na 10³²cílových protonů v kapalném scintilátoru za rok. Tato hodnota přibližně odpovídá jedné události za rok na tisíc tun kapalného scintilátoru při stoprocentní účinnosti.. Zdroj: O. Šrámek, EPSL.

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.

KamLAND – 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.

BOREXINO – 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).

Tepelný režim Země

Celková tepelná bilance Země je taková, že povrchem uniká výkon 46±3 terrawattů (terrawatt je 10¹² wattu). Za tento tepelný únik je zodpovědné jednak stále probíhající ochlazování pláště, jednak ohřev nitra Země radioaktivními procesy v horninách. Při těchto procesech vznikají detekovatelná antineutrina. Jde zejména o uranovou rozpadovou řadu, která začíná uranem ²³⁸U a končí olovem ²⁰⁶Pb a thoriovou rozpadovou řadu začínající thoriem ²³²Th a končící olovem ²⁰⁸Pb. Uranová řada poskytne dvě antineutrina z rozpadů paladia ²³⁴Pa a vizmutu ²¹⁴Bi, thoriová řada vytvoří také dvě antieutrina, a to při rozpadech aktinia ²²⁸Ac a vizmutu ²¹²Bi. Tato čtveřice antineutrin je důsledkem beta rozpaduBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino. Další antineutrina vznikají stejným způsobem při rozpadu draslíku ⁴⁰K. Celkem pětice antineutrin přináší informace o ohřevu vnitřních částí Země způsobeném radioaktivním rozpadem látek. Zatím je možné zachytávat neutrina z rozpadu uranu a thoria, neutrina z rozpadu draslíku budou doménou příští generace detektorů.

Zdroje tepelného toku vyzařovaného povrchem Země. Původ tepelného toku z jádra je nejasný. Pravděpodobně jde o původní teplo z období formování planety, některé zdroje uvažují i o pomalu probíhající termojaderné fúzi. Zdroj: Jaupart, Treat. Geoph.

Pětice neutrin vypovídající o radioaktivním rozpadu hornin v nitru Země. Současnými detektory je možné detekovat jen antineutrina s energií vyšší než 1,8 MeV (zelená oblast v centrálním diagramu), tedy jen některá antineutrina z uranové a thoriové řady. Antineutrina z rozpadu draslíku budou detekovatelná další generací neutrinových detektorů. Zdroj: Bill McDonough, Marylandská univerzita.

Stávající detektory

Současné detektory, které jsou schopné detekovat geoneutrina, patří do skupiny kapalných scintilačních detektorů. Antineutrino se v kapalném scintilátoru srazí s protonem (jádrem vodíku) za vzniku pozitronu a neutronu. Tomuto procesu říkáme inverzní beta rozpadBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino.. Často se pro něj používá anglická zkratka IBD (Inverse Beta Decay). Vzniklý pozitron reaguje relativně rychle (ulétne vzdálenost cca 0,1 mm) a anihiluje s některým z elektronů za vzniknu dvou fotonů, každý z nich má energii 511 keV. Fotony vždy vzniknou dva, protože platí zákon zachování hybnosti. V těžišťové soustavě elektronu a pozitronu je celková hybnost obou částic nulová a stejně tak musí být nulová hybnost obou vzniklých fotonů, které se rozletí od sebe. Jeden foton by nikdy nulovou hybnost nemohl mít. Druhá vzniklá částice, neutron, uletí v prostředí kapalného scintilátoru přibližně vzdálenost jednoho metru a poté se sloučí s některým z protonů za vzniku deuteronu (jádra těžkého vodíku) a fotonu s energií 2,2 MeV. Záchyt antineutrina je tedy doprovázen dvěma po sobě jdoucími záblesky, jejichž časová odlehlost je přibližně 200 mikrosekund. První záblesk je tvořen dvěma fotony s energií 511 keV, druhý fotonem s energií 2,2 MeV. Taková posloupnost záblesků je dobře rozpoznatelná. Jedinou nevýhodou kapalných scintilačních detektorů je energie antineutrina. Ta musí být minimálně 1,8 MeV, jinak totiž nemůže k inverznímu beta rozpadu dojít. Takovou energii mají některá antineutrina z uranové řady a některá z thoriové řady, ale žádné neutrino vzniklé z rozpadu draslíku – viz poslední obrázek. Tyto detektory také nejsou schopné rozpoznat procesy související s rozpadovou řadou uranu ²³⁵U, neboť zde nevznikají potřebná antineutrina.

Detekce neutrin pomocí inverzního beta rozpadu s dvěma charakteristickými
po sobě jdoucími záblesky. Zdroj: G. Bellini, Springer.

Záchyt geoneutrina je extrémně vzácnou událostí a rutinně se zatím daří ve dvou kapalinových scintilačních detektorech: japonském detektoru KamLAND a italském detektoru BOREXINO. Úspěšnost záchytu závisí zejména na množství scintilační kapaliny. KamLAND jí má 1 000 tun a zachytí 14 geoneutrin za rok. Detektor BOREXINO má 300 tun kapalného scintilátoru a zachytí v průměru 4,2 neutrina za rok. Pojďme se s oběma vynikajícími observatořemi seznámit podrobněji.

KamLAND se nachází v Japonsku v blízkosti známého detektoru Super-KamiokandeSuper-Kamiokande – japonská neutrinová observatoř z roku 1996 umístěná 1 000 m pod povrchem hory Ikeno ve starém zinkovém dole poblíž městečka Kamioka. Horniny nad detektorem jsou ekvivalentní 2 700 metrům vodního sloupce. Nádoba detektoru obsahuje 50 000 tun vody, na stěnách je 13 000 fotonásobičů, průměr nádoby je 40 metrů. Detektor detekuje Čerenkovovo záření elektronu nebo mionu vzniklého srážkou elektronového nebo mionového neutrina s neutronem. Z tvaru kužele Čerenkovova záření lze snadno odlišit elektronové a mionové neutrino. V průměru je zachyceno jedno atmosférické neutrino za hodinu a půl. V roce 1998 byl oznámen objev oscilací neutrin. V roce 2001 byl detektor vážně poškozen. Oprava trvala 5 let a stála 25 milionů USD. a je součástí neutrinové observatoře Kamioka. Je umístěný 1 000 metrů pod zemí (2 700 metrů vodního ekvivalentu). V okolí je 53 atomových elektráren, což detektor předurčuje především k záchytu elektronových antineutrin z jaderných reaktorů. Dokáže ale zachytit i elektronová geoneutrina. V provozu je od roku 2002. V ocelové nádobě o průměru 18 metrů je uložena nilonová koule o průměru 13 metrů, v níž je 1 000 tun kapalného scintilátoru – benzenu s fluorescenčnímiFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes. přísadami. V centru je ještě malá sféra s xenonovým kapalným scintilátorem (průměr 3 metry). Na ocelové sféře je 1 879 fotonásobičů. Vně ocelové sféry je Čerenkovův vodní detektorČerenkovův 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. s 3 200 tunami vody. Celá konstrukce je (včetně xenonového scintilátoru) tak čtyřvrstvá. Detektor zachytil v roce 2005 první geoneutrina vůbec, dokáže jich polapit přibližně 14 za rok. Také jako první detekoval oscilace reaktorových antineutrin.

Japonský detektor KamLAND. Zdroj: Brian Fujikawa, Berkeley KamLAND.

BOREXINO. Ve střední Itálii se pod horským masivem Gran Sasso v hloubce 1 400 metrů ukrývá největší podzemní laboratoř světa LNGSLNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Národní laboratoř Gran Sasso. Byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla, přibližně 120 km od Říma. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m². Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty.. V ní se vědci z celého světa snaží chytat především 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. z nejrůznějších zdrojů, ale i 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.. Jedním ze dvou desítek detektorů je BorexinoBOREXINO – 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).. Původně se tento detektor měl jmenovat BOREX (zkratka z anglického BORon solar neutrino EXperiment) a měl zkoumat atypické sluneční reakce, například tu, jíž se účastní bór, který dal detektoru jméno. Jak už to bývá, rozpočet na stavbu detektoru byl krácen, a tak vědci přejmenovali experiment na Borexino. Přípona „ino“ v italštině znamená zdrobnělinu, tedy Borexino je doslova „malý BOREX“. Detektor obsahuje 278 tun scintilační tekutiny, která při interakci s antineutrinem (jedním z mnoha) vydá dva po sobě jdoucí charakteristické elektromagnetické záblesky. Tyto záblesky zachytává 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.. Dalších 208 fotonásobičů na vnějším obalu registruje Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. rychlých mionůMion – 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., které mohou vznikat při interakci neutrin s jádry atomů. Denně je polapena řádově desítka slunečních neutrin. V roce 2021 byla detekována i neutrina z CNO cyklu, který se na slunečním výkonu podílí pouhým procentem. Detektor je schopen chytat i geoneutrina – jak jsme se již zmínili, v průměru jde o 4,2 neutrina za rok.

Italský detektor BOREXINO. Zdroj: Borexino, LNGS.

Nově budované detektory

Ne nadarmo se říká, že naši Zemi známe hůře než některá zákoutí vzdáleného vesmíru. Procesy odehrávající se přímo pod našima nohama jsou často záhadné a informace o nich jen kusé. Geoneutrina zde mohou sehrát podstatnou roli, ale není možné provádět systematické mapování procesů a útvarů v nitru Země neutronovými observatořemi, pokud zachytí řádově desítku neutrin za rok. Je třeba mnohem výkonnějších detektorů a také detektorů, které umožní sledovat i neutrina z rozpadu draslíku, jejichž energie je natolik nízká, že jsou pod prahem rozlišitelnosti detektorů KamLAND a BOREXINO. K detekci rozpadu draslíku je možné využít například rozptylu antineutrina na elektronu. Existuje celá řada projektů a smělých plánů výstavby nových detektorů či vylepšení těch stávajících. Cílem tohoto článku není a ani nemůže být kompletní seznam zařízení schopných detekovat geoneutrina. Zmíníme se proto jen o několika významných hráčích pro nejbližší období.

SNO+ je kanadský detektor, který nahradí původní detektor SNO (Sudburská neutrinová observatoř). Původní detektor byl vodním Čerenkovovým detektorem. V současném detektoru je voda nahrazena 780 tunami kapalného scintilátoru. Za ten poslouží lineární alkylbenzen (zkratka LAB). Ze zkratek detektoru a scintilátoru lze pak odvodit neoficiální název SNOLAB (laboratoř SNO). Plnění scintilátorem započalo v roce 2018 a první reaktorová neutrina byla detekována dne 1. března tohoto roku, a to ve vzdálenosti 240 kilometrů od reaktoru. Cíle nového detektoru jsou smělé: hledat stopy dvojného beta rozpadu (ten by znamenal možnost, že některé stavy neutrina jsou samy sobě antičásticí), zkoumat fúzní reakce ve Slunci (včetně neutrin z CNO cyklu), hledat geoneutrina z uranové a thoriové rozpadové řady, sledovat oscilace reaktorových neutrin a hledat neutrina ze supernov. Detektor v tomto roce právě začíná ožívat.

JUNO je čínský projekt, jde o zkratku z Jiangmen Underground Neutrino Observatory. Stavba započala v roce 2015 a stále probíhá. Detektor je umístěn 700 metrů pod zemí a nad detektorem je kromě běžné horniny 270 metrů žulové skály, což detektor spolehlivě odstíní od nežádoucích vlivů. V nádobě o průměru 35 metrů bude 20 000 tun lineárního alkylbenzebu, tedy stejné látky jako v detektoru SNO+. Záblesky bude sledovat 53 000 fotonásobičů. Detektor je určený ke sledování neutrin z blízké atomové elektrárny, neutrin ze supernov, atmosférických neutrin, slunečních neutrin a samozřejmě i geoneutrin.

LENA je evropský projekt, název pochází z anglického Low Energy Neutrino Astronomy, tedy nízkoenergetická neutrinová astronomie. Detektor bude umístěn v uzavřeném finském dole Pyhäsalmi, velmi silnou účast na stavbě má Německo. Částečně započaly výkopové práce. Nádoba bude mít tvar válce s průměrem 30 metrů a výškou 100 metrů. V ní se bude nacházet 50 000 tun kapalného scintilátoru. Počítá se s detekcí atmosférických neutrin, slunečních neutrin a geoneutrin. Kromě inverzního beta rozpadu v pakalném scintilátoru se bude sledovat i rozptyl antineutrin na elektronech, takže by detektor mohl chytat antineutrina z rozpadu draslíku, která jsou jiným detektorům nedostupná. Projekt ale provázejí neustálé problémy a jeho osud je nejasný.

Hanohano je havajský podmořský detektor (Hawaii Anti-Neutrino Observatory), který by měl obsahovat 10 000 tun kapalného scintilátoru, tedy desetkrát více než ve stávajícím japonském detektoru KamLAND. Předpokládá se, že detektor poveze loď a ve vhodném místě se válec se scintilátorem spustí na mořské dno. Bude tak možné mapovat neutrinové toky z rozpadu hornin v různých místech oceánu. Odhady ze simulací ukazují, že by detektor mohl zachytit přes sto geoneutrin za rok. Datum dokončení projektu je ale zatím nejasné, takže jde spíše o výhled do vzdálenější budoucnosti.

Plán havajského detektoru Hanohano. Zdroj:Hanohano projekt.

detektor	místo	scintilátor	provoz od	detekce za rok
KamLAND	Japonsko	1000 tun	2002	14
BOREXINO	Itálie	300 tun	2007	4,2
SNO+	Kanada	780 tun	2023	30?
JUNO	Čína	20 000 tun	2025?	400?
LENA	Finsko	50 000 tun	???	?
Daya Bay II	Čína	20 000 tun	?	?
Hanohano	Havaj	50 000 tun	?	100?
Jinping	Čína	4 000 tun	?	?

Tabulka dvou stávajících detektorů geoneutrin a několika
detektorů plánovaných v budoucnosti.

Neutrinová geofyzika

V neutrinech přicházejících z nitra Země je ukryto značné množství informací o procesech probíhajících v nitru naší planety, její tepelné bilanci, tepelných tocích a útvarech mezi jádrem a kůrou. Zvýšení počtu zachycených geoneutrin umožní začít novou éru geofyziky, jejíž součástí bude neutrinové mapování. Obdobně jako se zrodila neutrinová astronomie, tak se právě před našima očima rodí neutrinová geofyzika.

Neutrinová geofyzika umožní mapování útvarů a toků v nitru Země. Zdroj: Springer.

Odkazy