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 SPS vytvorené miónové neutrína 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-mezónov (piónov) a miónov. V laboratóriu CERN sa neutrína 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, LINAC urýchli jadrá vodíku na 50 MeV ktoré sú injektované do Boostera ktorý ich dostane na energiu 1,4 GeV, predtým než sú vyslané do synchrotrónu PS, kde získaju ďalších 13 GeV a teda sú vhodné na finálne urýchlenie v synchrotróne SPS na energiu 400 GeV.
 |
| Urýchľovací komplex pre experiment CNGS. |
 |
| 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 piónov a kaónov. 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 mióny a miónové neutrína, pričom ich smer pohybu je veľmi podobný ako smer pohybu pôvodných častíc. Na konci tunela je tzv. „beam stopper“, ktorý absorbuje všetky častice okrem neutrín. Týmto spôsobom je možné vytvoriť prúd neutrín νμ s energiou asi 19 GeV, ktorý je veľmi čistý.
| O oscilácii neutrín |
Predpokladá sa, že neutrína oscilujú, teda menia "vôňu". To je možné iba keď majú nenulovú hmotnosť. Bola pozorovaná oscilácia medzi νe a νμ pomocou detektoru SuperKamionande, 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 νe, νμ a ντ, častice ktoré pozorujeme sú však lineárnou kombináciou tzv. hmotnostných vlastných stavov. Mixovanie prebieha podľa matice PPMNS ktorá je nazvaná podľa svojich objaviteľov Pontecorva, Makiho, Nakagawu a Sakata:
 |
Na príklad si pre jednoduchosť môžme predstaviť 2 druhy neutrín (dve vône) νe,νμ a 2 vlastné stavy hmotnosti, ν1,ν2 ktoré sú navzájom prepojené unitárnou maticou 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 νe, jedného z produktov termojadrovej reakcie v našej najbližšej hviezde, sa na Zemi detekujú aj νμ alebo ντ.
Neutrína oscilujú medzi vôňami podľa rovnice, ktorá sa dá jednoducho odvodiť:
 |
kde Pα → β je pravdepodobnosť oscilácie medzi dvoma , 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 νe,νμ a ντ interagujú s hmotným prostredím pomocou neutrálnych prúdov, teda Z0 vektorových bozónov. Nabité slabé prúdy, teda častice W+ a W− môžu sprostredkovať interakciu iba pre elektrónové neutrína νe, keďže obyčajné hmota obsahuje iba elektróny, a nie mióny a tauóny. V hmote sa podstatne zvýši pravdepodobnosť oscilácií vďaka rezonančným efektom.
 |
| Detekcia neutrín |
Neutrína 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 νμ → ντ a reakcia s pomocou ktorej ich môžeme detekovať je ντ + X → X + τ, kde X je atómové jadro, inými slovami vnikne tauón, 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 hadróny alebo iné leptóny 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:
- 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.
- 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 CNGS zpresní naše znalosti o neutrínach a odmerá mixážne uhly.
Neutrina - 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.
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 Karolině (F. Reines, L. Cowan).
Neutrino 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.
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 P. Yagera a V. Paoloneho.
 |
 |
 |
Elektron - první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10-31 kg a elektrický náboj 1,6×10-19 C. Elektron objevil lord Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932.
Mion - 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.
Tauon - supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 me. 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.
 |
 |
 |
Hadrony - 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.
Leptony - 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).
Mezon - 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.
Pion - mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d.
Kaon - 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.
Vůně - 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).
CERN - 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.
SPS - 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.
LINAC - lineární urychlovač elementárních částic vybudovaný v komplexu CERN.
Synchrotron - cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem.
PS - 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.
Super-Kamionande - 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.
Unitární matice - matice, která nemění velikosti a vzájemné směry vektorů. Jde o rotace (det A = 1) zrcadlení (det A = -1).
Neutrální proudy - slabá interakce, kterou zprostředkovává nenabitý intermediální boson Z0.
Nabité proudy - slabá interakce, kterou zprostředkovávají nabité intermediální bosony W+ a W-.
Země - 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.
