Oficiální časopis Akademie věd ČR

 


Z monitoringu tisku

 

Akademický bulletin 2010–2015

Plakat_obalky_web.jpg



Stopy AB v jiných titulech

Stopa AB v dalších médiích a knižních titulech

Abicko  > archiv  > 2003  > listopad  > obsah

Odhalí Katrin další tajemství neutrin?

Obrázek k článku 

Existenci pozoruhodné částice zvané neutrino teoreticky předpověděl švýcarský fyzik Wolfgang Pauli už v roce 1930, experimentálně ji však prokázali až v roce 1956 američtí fyzikové Frederick Reines a Clyde L. Cowan. I potom ovšem zůstávala na dlouhá desetiletí pro vědce záhadou otázka, zda mají neutrina nulovou nebo nenulovou klidovou hmotnost. Až před 5 lety japonský experiment Super-Kamiokande a posléze v roce 2002 kanadská Sudbury Neutrino Observatory potvrdily tzv. oscilace neutrin. Velmi zjednodušeně řečeno: neutrina existují ve třech formách - jako elektronové, mionové a tauonové - a mezi nimi přecházejí neboli oscilují. Tento proces však předpokládá nenulovou klidovou hmotnost uvedených částic. Zatím se však neví, jak velká (nebo spíše malá) jejich hmotnost skutečně je. Právě to má zjistit mezinárodní projekt KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment), na němž se podílejí i čeští vědci.

Předcházely mu podobné experimenty v německé Mohuči a ruském Troicku. KATRIN však má využívat spektrometr daleko větších rozměrů, který by měl umožnit s velkou přesností určit horní mez klidové hmotnosti neutrina. Zařízení má být postaveno v německém Karlsruhe, vědecký tým je však mezinárodní; jsou v něm odborníci z Německa a Ruska, ale ke spolupráci byli přizváni i vědci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR, z Velké Británie a USA. O cílech projektu KATRIN nedávno hovořil na semináři v Praze profesor Johannes Blümer z Universität and Forschungszentrum Karlsruhe. Požádala jsem ho o přiblížení způsobu, jakým se má v projektu KATRIN zjišťovat přesná klidová hmotnost neutrin a co vědci očekávají od nově získaných poznatků:
Experimenty týkající se oscilací neutrin jsou citlivé pouze na rozdíly hmotností. Nemohou zjistit, jaká je skutečně absolutní hmotnost. Proto chceme s dosud nevídanou přesností měřit beta rozpad tritia. Doufáme, že dosáhneme hranice hmotnosti 0,2 eV/c2 s 90­ významností.

Můžete váš experiment popsat podrobněji? Jakým způsobem chcete hmotnost neutrin měřit?
Budeme využívat elektrostatického spektrometru s magnetickým zaostřováním. Jako zdroje používáme plynné tritium v uzavřeném prostoru. Tritium jednoduše odčerpáváme. Z plynu budou vystřelovány elektrony vzniklé rozpadem beta, budou odnášeny magnetickými poli a jejich energie se pak odvodí z brzdícího elektrického napětí, proti němuž se musí elektrony pohybovat. Pouze elektrony s energií vyšší, než je určité mezní napětí, se pak znovu urychlují a zasahují detektor. Detektor jednoduše počítá elektrony. Měříme tedy množství elektronů v závislosti na velikosti brzdícího napětí. To nám posléze dává přesně rozložení energetického spektra elektronů z rozpadu beta. Jestliže mají neutrina nenulovou klidovou hmotnost, nedovolí elektronům dosáhnout maximální možné energie.

Proč je tak důležité přesně stanovit klidovou hmotnost neutrin?
Neutrina jsou základní částice, po fotonech druhé nejhojnější částice ve vesmíru. Takže i kdyby jejich klidová hmotnost byla jen nepatrná, má to pro vesmír veliké důsledky. Nejnovější údaje nám ukazují, že neutrinová složka vesmíru je relativně malá, ale přesná hodnota je stále velmi závislá na modelu. Můžete argumentaci obrátit a změřit s velkou přesností hmotnost neutrin či stanovit velmi přesně její horní mez - a pak to zabudovat zpět do kosmologických modelů. Tím by se tyto modely výrazně vylepšily. Také pro částicovou fyziku je velice důležité znát klidovou hmotnost neutrin, protože pro ni nemáme žádnou teorii. V podstatě nemáme teorii pro žádnou hmotnost.

Předpokládáte tedy, že ve standardním modelu je něco špatně?
Standardní model je model. Odvozuje se celá léta a je dosti složitý. Dokáže popsat všechna naše data nebo většinu z nich s neuvěřitelnou přesností. Je tedy velmi zdařilý. Nemyslíme si však, že představuje poslední slovo. Obsahuje tolik volných parametrů, které nedokážeme stanovit, které se musí určit experimentálně. Například právě nenulová klidová hmotnost neutrin je jedním z prvních faktorů nezapadajících do standardního modelu, který předpokládá, že hmotnost neutrin je přesně nula. Oscilace nám však jednoznačně říkají, že neutrino klidovou hmotnost má. Takže se hledají lepší teorie s menším množstvím volných parametrů, s větší symetrií a menším počtem výjimek.

Upozornil jste, že neutrina jsou druhé nejhojnější částice ve vesmíru. Může stanovení jejich klidové hmotnosti pomoci alespoň částečně vysvětlit záhadu tzv. skryté hmoty?
Nejnovější družicová měření naznačují, že podíl neutrin na skryté hmotě je pravděpodobně malý. Nakolik přesně malý však prozatím nevíme. Stále ještě to může být značný zlomek celkové hmoty vesmíru. Problémem je, že neutrina, pokud mají velmi malou hmotnost, jsou relativistická, při velkém třesku se pohybovala téměř rychlostí světla, ale naproti tomu existují náznaky, že většina skryté hmoty je nerelativistická. O většině skryté hmoty však stále ještě nevíme, co to je.

Vy se také podílíte na projektu Pierre Auger, který se zaměřuje na výzkum vysokoenergetického kosmického záření. Jak spolu tyto dva projekty - KATRIN a Pierre Auger - souvisejí?
Spojuje je právě fyzika neutrin - neutrina hrají důležitou roli v tolika procesech… Vznikají ve všech vysokoenergetických procesech souvisejících s kosmickým zářením a v mnoha z nich hraje nějakou roli právě hmotnost neutrin. Takže se objevují odvážné spekulace o rozpadech podivných těžkých částic či jiných pozůstatků po velkém třesku a o ultravysoké energii reliktních neutrin. Ve fyzice neutrin nalézáme tudíž mnoho společného mezi těmito experimenty, i když se jeden z nich zabývá pouze energiemi zlomku elektronvoltu, zatímco druhý energiemi řádu 1020 eV. Souvislostí je tedy mnoho.

Jsou známy zdroje těchto vysokoenergetických částic s energiemi, jak jste uváděl, řádu 1020 eV?
Ne, neznám tyto zdroje a neznám žádného kolegu, který by je znal. A proto je tak vzrušující je hledat.

Mají vědci alespoň nějakou představu, kde tyto zdroje hledat?
Problém s nejenergetičtějším dosud pozorovaným kosmickým zářením spočívá v tom, že energie částic je tak obrovská, že podle našich představ mohou urazit nanejvýš nějakých 100 milionů světelných let bez srážek s fotony, při nichž se jejich energie rozmělňuje. Když se však podíváte do vzdálenosti 100 milionů světelných let a hledáte příslušné kosmické urychlovače, žádné pořádné tam nenaleznete. Jsou buď příliš malé, nebo ne dost výkonné. Vhodné urychlovače sice existují ve větších vzdálenostech, ale pak zase nechápeme, jak se k nám tyto částice dostaly. Takže je to opravdu záhada.

Kolik takových vysokoenergetických částic už bylo detekováno?
Zhruba 20, ale za dobu 20 let v různých experimentech!

Už zmiňovaná observatoř Pierre Auger má získávat data, která by mohla pomoci záhadu částic o ultravysokých energiích vyřešit. Proto mají být její detektory rozmístěny na tak velké ploše, aby se zvýšila šance detekovat tyto vzácné částice? (Připomeňme, že detektory, kterých se bude v rámci rozsáhlého mezinárodního projektu Pierre Auger využívat, budou rozmístěny v argentinské pampě na neuvěřitelných 3000 km2. Budou dvojího druhu: jednak 1600 nádrží s vodou, které budou zaznamenávat tzv. Čerenkovovo záření vznikající při průletu vysokoenergetické částice rychlostí vyšší, než je rychlost světla ve vodě, jednak 24 teleskopů detekujících sekundární spršky částic, které vznikají při srážce primární vysokoenergetické částice s molekulami zemské atmosféry.)
Přesně tak. Plánovaná velikost observatoře Pierre Auger je 30krát větší než dosud nejrozsáhlejší zařízení AGASA v Japonsku. Chceme poprvé využít jak pozemní detektory částic, tak současně teleskopy sledující světlo ze spršek v zemské atmosféře. Právě tyto teleskopy totiž umožňují přímo určit energii primárních vysokoenergetických částic kosmického záření. Kalibrace se přitom dá provádět případ od případu. Tímto kombinováním údajů z obou typů detektorů můžeme poprvé přímo porovnávat reálná měření energie ze spršek s výpočty téže energie při modelových simulacích.

Kdy očekáváte první údaje z experimentu KATRIN i z observatoře Pierre Auger?
Co se týče observatoře Pierre Auger, dokončili jsme prototyp sestávající ze 37 nádrží a 2 teleskopů. V příštích zhruba 3 letech budeme v Argentině dokončovat celou soustavu 1600 nádrží a 24 teleskopů, ale odhaduji, že s prvními daty přijdeme už příští rok. U experimentu KATRIN bude stavba přístroje trvat až do roku 2007 a doufáme, že asi toho roku začneme s prvními měřeními. Máme za to, že oba experimenty mají strategický význam, jsou dlouhodobé a rozsáhlé.

Závěrem ještě jednou zdůrazněme, že na obou projektech, KATRIN a Pierre Auger, se podílejí i čeští vědci. Observatoř Pierre Auger má, jak už jsme též uvedli, zkoumat nesmírně vzácné vysokoenergetické částice přicházející k nám z vesmíru. Jsou urychlené na energie až sto milionkrát větší, než jakých dokáží fyzikové na Zemi dosahovat v obřích urychlovačích. O původu těchto částic však zatím vědci nemají vůbec jasno, i když nevylučují, že některé z nich mohou souviset s výbuchy supernov, s působením supermasivních černých děr a s aktivními jádry galaxií. Mnoho otázek však stále zůstává otevřených. Ve snaze nalézt odpověď alespoň na některé z nich spojili své síly vědci ze čtyř desítek laboratoří z 18 zemí světa a staví dosud největší observatoř pro kosmické záření, pojmenovanou po francouzském fyzikovi Pierru Augerovi. Česká republika se na tomto projektu podílí prostřednictvím Fyzikálního ústavu AV ČR a Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého v Olomouci a Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze. Čeští odborníci přispívají zejména ke stavbě světelných teleskopů, které budou měřit záření ze spršek vznikajících při střetu vysokoenergetické částice s molekulami zemské atmosféry. Lze očekávat, že oba náročné mezinárodní experimenty - Pierre Auger i KATRIN - pomohou odhalit další tajemství, která před námi příroda skrývá.

JANA OLIVOVÁ