| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Neutrinový obraz Galaxie
Petr Kulhánek
Naše Galaxie je dlouhodobě zkoumána ve všech oborech elektromagnetického spektra. Její obraz dobře známe od rádiového oboru přes mikrovlny, infračervené, viditelné a ultrafialové záření až po obor rentgenový a gama. Od roku 2013 je rutinně detekován difúzní tok neutrin z oblasti roviny Galaxie. V roce 2023 se po deseti letech sbírání dat z detektoru IceCubeIceCube – největší detektor neutrin, obří hranol v antarktickém ledu. Detektor vznikl rozšířením detektoru AMANDA. Základem jsou vrty o průměru zhruba 60 centimetrů zanořující se do hloubky 1 450 až 2 450 metrů. Do těchto vrtů jsou umísťovány struny s detektory, které jsou následně zality vodou a zamrznou. Stavba detektoru byla dokončena v roce 2010, obsahuje 86 svislých strun, na nichž je navěšeno celkem 5 160 detektorů. podařilo najít vysoce energetická neutrina se směrovou závislostí, což umožnilo vytvořit první mapu Galaxie v neutrinovém oboru s dobře patrnými kompaktními zdroji neutrin. Je to vůbec poprvé, kdy máme celkový obraz Galaxie, který není založený na elektromagnetickém záření. Znalost těchto zdrojů by mohla odhalit místa, z nichž k nám z Galaxie přichází kosmické 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..
Detektor IceCube chytá neutrina na jižním pólu, v kilometru krychlovém ledu v blízkosti Scottovy–Amundsenovy základny. Zdroj: IceCube Collaboration, NSF, ESA.
|
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. Kosmické 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. Fermi – americká gama observatoř, která se v roce 2008 stala následovníkem slavné gama observatoře Compton. Rozsah detekovaného záření: 10 až 300 GeV. Původně se tato observatoř jmenovala GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), v srpnu 2008 byla přejmenována na Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) podle významného italského kvantového fyzika. Observatoř je na nízké oběžné dráze s perigeem 536 km a apogeem 553 km. Na stavbě observatoře se kromě NASA také podílely CEA, DLR, ASI, JAXA a SNSB. Mise byla několikrát prodloužena, observatoř je stále funkční (2024). IceCube – největší detektor neutrin, obří hranol v antarktickém ledu. Detektor vznikl rozšířením detektoru AMANDA. Základem jsou vrty o průměru zhruba 60 centimetrů zanořující se do hloubky 1 450 až 2 450 metrů. Do těchto vrtů jsou umísťovány struny s detektory, které jsou následně zality vodou a zamrznou. Stavba detektoru byla dokončena v roce 2010, obsahuje 86 svislých strun, na nichž je navěšeno celkem 5 160 detektorů. |
Od difúzního pozadí k bodovým zdrojům
Kosmické 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. je neustálý tok protonů, jader helia, elektronů a pozitronů, který k nám přichází ze všech směrů. Velmi často mají tyto částice značné energie. Jejich zdroje jsou v naší Galaxii obtížně zjistitelné, neboť částice kosmického záření letí Galaxií desetitisíce až miliony let. Nabité částice se pohybují v magnetických polích, která mají intenzitu řádově jednotky nanotesel. I tak slabé pole po dostatečně dlouhé době zcela změní směr pohybu nabitých částic, takže se u Země už nedá zjistit, odkud přilétly. Velkou nadějí jsou částice s extrémní energií, které při interakci s látkou v okolí svého zdroje vytvoří gama fotony a neutrina až s petaelektronvoltovou energií (tedy 1015 eVElektronvolt – 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=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.). Na fotony ani neutrina nemá magnetické pole žádný vliv, a proto se šíří přímočaře. Takovým zdrojům gama fotonů a neutrin se začalo říkat PeVatronyPeVatrony – místa vzniku kosmického záření v naší Galaxii s energií řádově 1015 eV, tedy v petaelektronvoltech. Z těchto míst by k nám měly přilétat petaeketronvoltové fotony a petaelektronvoltová neutrina..
V roce 2013 bylo detektorem IceCubeIceCube – největší detektor neutrin, obří hranol v antarktickém ledu. Detektor vznikl rozšířením detektoru AMANDA. Základem jsou vrty o průměru zhruba 60 centimetrů zanořující se do hloubky 1 450 až 2 450 metrů. Do těchto vrtů jsou umísťovány struny s detektory, které jsou následně zality vodou a zamrznou. Stavba detektoru byla dokončena v roce 2010, obsahuje 86 svislých strun, na nichž je navěšeno celkem 5 160 detektorů. nalezeno difúzní pozadí neutrin přicházejících z oblasti roviny naší Galaxie – Mléčné dráhy. Jejich intenzita kopíruje intenzitu gama záření dlouhodobě detekovanou gama observatoří FermiFermi – americká gama observatoř, která se v roce 2008 stala následovníkem slavné gama observatoře Compton. Rozsah detekovaného záření: 10 až 300 GeV. Původně se tato observatoř jmenovala GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), v srpnu 2008 byla přejmenována na Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) podle významného italského kvantového fyzika. Observatoř je na nízké oběžné dráze s perigeem 536 km a apogeem 553 km. Na stavbě observatoře se kromě NASA také podílely CEA, DLR, ASI, JAXA a SNSB. Mise byla několikrát prodloužena, observatoř je stále funkční (2024).. V průběhu dalších deseti let (2013 až 2023) byla sbírána data z neutrin s vysokými energiemi, které prolétly antarktickým ledem. Neutrino interagující v ledu vytvoří 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. nebo mionMion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. 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. s rychlostí vyšší, než má světlo v tomto prostředí. Takový elektron či mion za sebou emituje kužel Čerenkovova zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí., který je detekován více než 5 000 fotonásobičiFotonásobič – 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. zamrzlými v ledu. Analýza naměřených dat využívala nejmodernější algoritmy včetně strojového učení. Byla zpracována data z více než šedesáti tisíc neutrinových kaskád – tak se označuje záznam fotonásobičů způsobený průletem neutrina. Výsledkem je první mapa Galaxie v neutrinech s vysokou energií (jednotky až stovky teraelektronvoltů (1012 eVElektronvolt – 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=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.). Se statistickou významnostíStatistická významnost – popisuje výsledek testování statistické hypotézy. V částicové fyzice se statistická významnost vyjadřuje v násobcích směrodatné odchylky σ normálního rozdělení. Za objev je považována statistická významnost vyšší než 5σ, kdy je pravděpodobnost, že je výsledek náhodnou fluktuací, 1:3,5 milionu. přes 4 σ jsou patrné jednotlivé zdroje vysoce energetických neutrin, které by současně mohly být i zdroji kosmického záření. Neutrinová astronomie si připsala další velký úspěch. Vypadá to, že se blíží doba, kdy konečně odhalíme místa vzniku kosmického záření v naší Galaxii.
První mapa Galaxie s jednotlivými zdroji neutrin. Zdroj: Science/IceCube Coll.
Rovníková část Galaxie pozorovaná zevnitř v různých oborech a v neutrinech.
Zdroj: IceCube Collaboration, NSF/L. Le, S. Johnson,
ESO/S. Brunier.
Odkazy
- Ke Fang, John S. Gallagher, Francis Halzen: The Milky Way revealed to be a neutrino desert by the IceCube Galactic plane observation; Nature Astronomy 8 (2024) 241–246
- Luigi Antonio Fusco, Galactic neutrinos in the Milky Way, Science, 29 Jun 2023
- Mauricio Bustamante: The Milky Way shines in high-energy neutrinos; arXiv:2312.08102 [astro-ph.HE], 13 Dec 2023
- Jason Stoughton: First 'ghost particle' image of Milky Way galaxy captured by scientists; NSF Science Matters, 29 Jun 2023
- University of Wisconsin-Madison: First 'ghost particle' image of Milky Way galaxy captured by scientists: Neutrinos detected by IceCube; PhysOrg, 29 Jun 2023
- Petr Kulhánek: Ledová kostka a petaelektronvoltová neutrina; AB 38/2019
