Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska

Michal Marčišovský, 12. 12. 2005

Viac porozumieť problematike zdanlivého „miznutia“ neutrín vznikajúcich pri interakcii kozmického žiarenia s hornými vrstvami atmosféry nám umožní Švajčiarsko-Taliansky projekt CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso), kde pomocou urýchľovača SPSSPS – Super Proton Synchrotron, dosažitelná energie 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny intermediální bosony slabé interakce, v roce 2000 bylo poprvé vytvořeno kvark-gluonové plazma. vytvorené miónové neutrínaNeutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili L. M. Lederman, M. Schwartz a J. Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenu (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988. putujú pod zemským povrchom do laboratória LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) a overí sa teória oscilácie neutrín.

Cesta neutrín pod zemou do Talianska.

O vytváraní neutrín

Miónové neutrína vznikajú prirodzenou cestou z rozpadu π-mezónovMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků d a u nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark s, nazývá se kaon. (piónovPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d.) a miónovMion – 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.. V laboratóriu 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 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostavěn v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. sa neutrínaNeutrina – leptony, které nemají elektrický náboj. Neinteragují ani silně ani elektromagneticky, proto látkou většinou procházejí. 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. produkujú podobným spôsobom, keď sa prúd urýchlených protónov nechá kolidovať s atomárnymi jadrami. V súčasnosti všetky funkčné protónové urýchľovače CERNu slúžia na urýchlenie protónov na požadované energie pre efektívnu tvorbu neutrín, LINACLINAC – lineární urychlovač elementárních částic vybudovaný v komplexu CERN. urýchli jadrá vodíku na 50 MeV ktoré sú injektované do Boostera ktorý ich dostane na energiu 1,4 GeV, predtým než sú vyslané do synchrotrónuSynchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem. PSPS – první velký urychlovač v komplexu CERN postavený v roce 1959. Dokázal urychlit protony na energii 28 GeV. Později se využíval jako injektor pro urychlovač SPS, který bude sloužit stejnému účelu pro budovaný urychlovač LHC., kde získaju ďalších 13 GeV a teda sú vhodné na finálne urýchlenie v synchrotróneSynchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem. SPSSPS – Super Proton Synchrotron, dosažitelná energie 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny intermediální bosony slabé interakce, v roce 2000 bylo poprvé vytvořeno kvark-gluonové plazma. na energiu 400 GeV.

Urýchľovací komplex pre experiment CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso.

Smerovací systém pre neutrína

Po urýchlení sa protóny nasmerujú na terčík, kde interagujú s jadrami, z ktorých je zložený, a vytvoria sekundárny zväzok zložený najmä z piónovPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d. a kaónovKaon – mezon složený z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením.. Tieto častice sú vedené magnetickým poľom do tzv. „rozpadového tunela“, ktorý je nasmerovaný na taliansky detektor v laboratóriu LNGS. Pióny a kaóny sa počas letu rozpadnú poväčšinou na miónyMion – 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. a miónové neutrínaNeutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili L. M. Lederman, M. Schwartz a J. Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenu (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988., pričom ich smer pohybu je veľmi podobný ako smer pohybu pôvodných častíc. Na konci tunela je tzv. „beam stopper“, ktorý absorbuje všetky častice okrem neutrínNeutrina – leptony, které nemají elektrický náboj. Neinteragují ani silně ani elektromagneticky, proto látkou většinou procházejí. 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.. Týmto spôsobom je možné vytvoriť prúd neutrín ν_μ s energiou asi 19 GeV, ktorý je veľmi čistý.

O oscilácii neutrín

Predpokladá sa, že neutrínaNeutrina – leptony, které nemají elektrický náboj. Neinteragují ani silně ani elektromagneticky, proto látkou většinou procházejí. 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. oscilujú, teda menia vôňuVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), beauty (krása), truth (pravdivost).. To je možné iba keď majú nenulovú hmotnosť. Bola pozorovaná oscilácia medzi ν_e a ν_μ pomocou detektoru SuperKamionandeSuper-Kamiokande – japonská neutrinová observatoř z roku 1996 umístěná 1 700 m pod povrchem hory Ikena Jama ve starém zinkovém dole poblíž městečka Kamioka. 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., ktorá osvetlila prečo detekujeme iba zlomok z počtu slnečných neutrín, ktoré by sme mali teoreticky nájsť.

Oscilácia neutrín spočíva v tom, že pri slabých interakciách vznikajú tzv. vlastné stavy vône ν_e, ν_μ a ν_τ, častice ktoré pozorujeme sú však lineárnou kombináciou tzv. hmotnostných vlastných stavov. Mixovanie prebieha podľa matice P_PMNS ktorá je nazvaná podľa svojich objaviteľov Pontecorva, Makiho, Nakagawu a Sakata:

Na príklad si pre jednoduchosť môžme predstaviť 2 druhy neutrín (dve vône) ν_e,ν_μ a 2 vlastné stavy hmotnosti, ν₁,ν₂ ktoré sú navzájom prepojené unitárnou maticouUnitární matice – matice, která nemění velikosti a vzájemné směry vektorů. Jde o rotace (det A = 1) zrcadlení (det A = −1). U:

Teda ak si namaľujeme názorný obrázok, hneď uvidíme čo je mixážna matica, v podstate pootočenie v rovine o uhol θ , tzv. mixážny uhol.

Takže stav neutrína sa dá znázorniť nasledujúcim spôsobom:

Vlastné stavy hmotnosti sa však šíria ako vlny rozdielnymi rýchlosťami vo vákuu (3 hmotnosti neutrín) a teda sa čistý stav pôvodného neutrína mení. Teda napríklad z veľkého počtu pôvodných ν_e, jedného z produktov termojadrovej reakcie v našej najbližšej hviezde, sa na ZemiZemě – je 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. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 0,4 TPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. detekujú aj ν_μ alebo ν_τ.

Neutrína oscilujú medzi vôňami podľa rovnice, ktorá sa dá jednoducho odvodiť:

,

kde P_α → β je pravdepodobnosť oscilácie  medzi dvoma vôňamiVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), beauty (krása), truth (pravdivost)., Δm² je rozdiel kvadrátov hmotností v eV², L vzdialenosť v km od zdroja,  E energia neutrína v GeV. Znázornenie oscilácií je na následujúcom obrázku, kde je modro-červenou farbou zobrazený časový vývoj zloženia neutrína.

Oscilácie neutrín v hmote, MSW efekt

Mikheyev, Smirnov a Wolfenstein ukázali, že v hmote budú oscilácie prebiehať inak z dôvodu slabej interakcie neutrín s prostredím. Všetky neutrína ν_e,ν_μ a ν_τ interagujú s hmotným prostredím pomocou neutrálnych prúdovNeutrální proudy – slabá interakce, kterou zprostředkovává nenabitý intermediální boson Z⁰., teda Z⁰ vektorových bozónov. Nabité slabé prúdyNabité proudy – slabá interakce, kterou zprostředkovávají nabité intermediální bosony W⁺ a W⁻., teda častice W⁺ a W⁻ môžu sprostredkovať interakciu iba pre elektrónové neutrína ν_e, keďže obyčajné hmota obsahuje iba elektróny, a nie mióny a tauóny. V hmote sa podstatne zvýši pravdepodobnosť oscilácií vďaka rezonančným efektom.

Feynmanove diagramy slabej interakcie neutrín (naľavo nabité prúdy, napravo neutrálne prúdy)

Detekcia neutrín

NeutrínaNeutrina – leptony, které nemají elektrický náboj. Neinteragují ani silně ani elektromagneticky, proto látkou většinou procházejí. 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. sú veľmi slabo interagujúce častice, preto ich sú pre experimenty potrebné obrovské toky. V experimentu chceme detekovať τ neutrína, a predpokladáme ich vznik z oscilácie ν_μ → ν_τ a reakcia s pomocou ktorej ich môžeme detekovať je ν_τ + X → X + τ, kde X je atómové jadro, inými slovami vnikne tauónTauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 m_e. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10⁻¹³ s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem., ktorý má polčas života 0,3 pikosekundy a veľmi ťažko sa detekuje. Preto je nutné, aby energia neutrína bola vyššia ako kľudová hmotnosť tauónu, ktorá je asi 1,8 GeV. Tauón je jediný známy leptón ktorý sa môže rozpadnúť aj na hadrónyHadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. alebo iné leptónyLeptony – 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). ako napr. mión (ktorý vzniká pri záchyte miónového neutrína v hmote), identifikácia tauónu z jeho produktov je preto nevhodná.  V Taliansku budú neutrína detekovať dvomi detektormi:

1. OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) – hybridný detektor obsahujúci miónový magnetický spektrometer, tracker a najpodstatnejšiu časť, mnohovrstvú periodickú štruktúru vrstiev olova a jadrovej fotoemulzie, v ktorej sa zaznamenajú stopy τ elektrónov.
2. ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signals) – komplex veľkých Dewarových nádob naplnený kvapalným argónom, patrí do kategórie detektorov zvaných TPC (Time Projection Chamber), bol postavený už v roku 2000. Umožňuje presné trojrozmerné rekonštrukcie trajektórií.

Schéma detektoru OPERA – 1: olovené dosky a jadrová fotoemulzia; 2: manipulátor dosiek;
3: miónový spektrometer; 4: driftová komora, 5: podporná konštrukcia

Schéma detektoru ICARUS.

Epilog

Spustenie neutrínového zväzku je plánované na máj 2006. V poslednej dobe je neutrínová fyzika populárna, prebieha alebo je naplánovaných mnoho experimentov zameraných na detekciu oscilácie neutrín či už vo vákuu alebo v hmote. Dnes je jasné že neutrína majú nenulovú kľudovú hmotnosť, ale stále nevieme akú. Experiment CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso. zpresní naše znalosti o neutrínach a odmerá mixážne uhly.

Bonus: Klip „Neutrinový detektor Amanda“

Detektor vrtaný v antarktickém ledu. První předběžné vrty pocházejí již z let 1991 a 1993. Problémy s bublinami v ledu byly překonány až v roce 1995, který lze považovat za počátek práce neutrinového detektoru. Do antarktického ledu jsou hloubeny horkovodním vrtákem vrty o průměru 50 cm do hloubky cca 2 km. Vrty zamrznou za dva dny. Ve vrtu zůstává zamrzlá struna s optickými moduly. Každý modul je spojen s povrchem nezávislým elektrickým kabelem a optickým vláknem, které vede k YAG laseru na povrchu. Optické vlákno slouží ke kalibraci optického modulu. Veškerá pomocná elektronika je na povrchu. Vrty jsou soustředěny v kruhové oblasti o průměru 120 m. Neutrino interagující s neutronem v ledu vytvoří relativistický elektron či mion, který za sebou zanechává v ledu charakteristický kužel Čerenkovova záření. Právě ten je detekován zamrzlými optickými moduly. Rozmístění modulů umožňuje prostorovou rekonstrukci kužele. Získané úhlové rozlišení pro neutrina z kosmického záření je pod 1°. Zařízení je schopné detekovat kromě běžných neutrin s energiemi několik MeV i vysoce energetická neutrina s energiemi vyššími než 1 000 GeV a otvírá nám tak zcela nové okno pro pozorování vesmíru.

Odkazy