Neutrina patří mezi jedny z nejpozoruhodnějších objektů mikrosvěta. Existenci neutrina teoreticky předpověděl Wolfgang Pauli v roce 1930. Neutrina mohou prakticky téměř volně procházet hmotou, protože s ní interagují pouze prostřednictvím slabé interakce. Neutrina je velmi obtížné detekovat. Trvalo dalších 26 let, než bylo neutrino objeveno při experimentu, který navrhli fyzikové Clyde Cowan a Frederick Reines. Jejich projekt nesl příznačný název „Project Poltergeist“. Dnes víme, že existují tři druhy (vůně) neutrin: elektronové, mionové a tauonové. Tato pojmenování nejsou samoúčelná. Elektronová antineutrina jsou vždy produkována spolu s elektrony (například při rozpadu beta). Podobně mionová antineutrina vznikají spolu s miony (například při rozpadu pionu). V inverzním procesu, při rozpadu antimionu, zase vznikají mionová neutrina. Obdobně i tauonová neutrina jsou takto vázána na „svůj“ nabitý lepton (mějme na paměti, že se bavíme o slabých procesech, elektrony mohou vznikat např. také konverzí gama fotonu na elektron-pozitronový pár, kde žádná neutrina nevznikají, protože se jedná o elektromagnetický proces). Patrně největším překvapením pro fyziky bylo zjištění, že neutrina mohou v průběhu svého života měnit vůni. Příznaky tohoto chování neutrin byly poprvé pozorovány v roce 1960 na experimentu v dole Homestake v Jižní Dakotě prostřednictvím deficitu v množství slunečních neutrin. Tento jev byl později potvrzen dalšími nezávislými experimenty (Kamiokande, GALLEX, SAGE a další). Dnes se měří parametry oscilací neutrin pocházejících z různých zdrojů (Slunce, jaderné reaktory, urychlovače, kosmické záření) a vzájemně se porovnávají. V 90. letech minulého století probíhal experiment LSND, který naměřil abnormálně velké oscilace neutrin, které neodpovídají datům z jiných experimentů. Podobná anomálie jako na LSND je pozorována také na současném experimentu MiniBooNE.
|
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. |
Oscilace neutrin
Oscilace neutrin popisuje kvantová teorie pomocí principu superpozice. Na neutrino se můžeme dívat jako na stav, který je superpozicí (součtem) stavů s přesně definovanou vůní (νe, νμ, ντ – tzv. vlastní stavy vůně, které jsme vybrali jako bázové stavy pro popis neutrina), kde každý z těchto stavů je zastoupen různým dílem. Stejné neutrino ale můžeme také popsat superpozicí jiných stavů – tentokrát stavů s přesně definovanou hmotností (ν1, ν2, ν3 – vlastní stavy hmotnosti), ale s jinými koeficienty. Zdrojem oscilací je právě nerovnost těchto koeficientů, která způsobuje, že neutrino jedné vůně se v čase přeměňuje na neutrino vůně jiné a zpět. Frekvence oscilací je přímo úměrná rozdílu kvadrátů hmotností a nepřímo úměrná energii neutrina. Nyní je vidět, že nutnou podmínkou oscilací neutrin je jejich nenulová hmotnost. Podrobněji jsou oscilace neutrin popsány v Aldebaran Bulletinu 46, 2005.
Každé neutrino může být popsáno jako lineární kombinace vlastních stavů vůně nebo ekvivalentně pomocí lineární kombinace vlastních stavů hmotnosti. Obrázek znázorňuje, že vlastní stavy hmotnosti nejsou u neutrina zastoupeny stejnou měrou jako vlastní stavy vůně. To znamená, že například ν1 je směsicí νe, νμ, ντ (jako na obrázku) a naopak νe je zase směsicí ν1, ν2, ν3. Zdroj: Ice Cube.
Experiment LSND
V letech 1993 až 1998 probíhal v laboratoři LANL (Los Alamos National Laboratory) v USA experiment LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector), který měl zkoumat oscilace neutrin na krátkých vzdálenostech mezi zdrojem a detektorem. Jako zdroj neutrin sloužilo zařízení na urychlovači LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility), který urychluje protony. Zaostřený svazek protonů byl dále naveden na terčík. Při těchto srážkách vznikalo hojné množství pionů a mionů , jejichž rozpadovými produkty jsou neutrina.
Detektor LSND, umístěný přibližně 30 m od zdroje neutrin, byl tvořen válcovou nádobou naplněnou 167 tunami minerálního oleje a nepatrného množství organického scintilátoru. Olej má vyšší index lomu než voda, a proto je v něm nižší energetický práh pro produkci Čerenkovova záření. Stěny nádrže pokrývaly fotonásobiče detekující jednak Čerenkovovo záření elektronů a mionů (závěrečné produkty interakce neutrina) a jednak záření způsobené scintilační látkou rozpuštěnou v oleji.
V experimentu se zkoumaly různé reakce neutrin, ale nejpřekvapivější výsledky přineslo měření přítomnosti elektronových antineutrin v relativně čistém svazku mionových antineutrin s energií mezi přibližně 20 a 50 MeV. Experiment LSND pracoval na principu inverzního beta rozpadu, kdy νe interaguje s protonem za vzniku neutronu a pozitronu . Pozitron téměř okamžitě anihiluje za produkce dvou fotonů v oblasti gama. Neutron vytvoří vázaný stav s protonem za vzniku deuteronu a emise třetího fotonu v gama oboru. Detekce právě těchto tří fotonů byla signálem, že došlo k detekci elektronového antineutrina. Díky malé vzdálenosti mezi zdrojem neutrin a detektorem se očekával pouze velmi slabý signál v detektoru odpovídající velmi malému množství mionových antineutrin, která po cestě k detektoru změnila svoji vůni na elektronové antineutrino. LSND ale za dobu měření této reakce detekoval o přibližně 88 νe více, než bylo očekávané pozadí (přibližně 20 νe). Tato hodnota odpovídá rozdílu kvadrátů hmotností oscilujících neutrin mezi 0,2÷10 eV2, což je hodnota více než tisíckrát větší než u jiných experimentů měřících sluneční a atmosférická neutrina (KamLAND atd.). Pokud by data z experimentu LSND byla skutečná, neutrina by musela mít hmotnost větší než 0,4 eV, což by bylo možně naměřit citlivými metodami i při obyčejném beta rozpadu nějakého jádra. Je tedy třeba tato data ověřit jiným experimentem.
Schéma uspořádání experimentu LSND. Pevný terčík je bombardován svazkem protonů, kde vznikají piony a miony , které se zastaví v absorbátoru a poté se rozpadnou do závěrečných stavů obsahujících neutrina. Ve směru neutrinového svazku je umístěn pečlivě stíněný detektor LSND. Zdroj: Univerzita v Alabamě.
Vnitřek detektoru LSND ještě před tím, než byl zaplněn olejem. Stěny nádoby pokrývají fotonásobiče měřící Čerenkovovo záření a záření scintilační látky. Zdroj: Univerzita v Alabamě.
Experiment MiniBooNE potvrzuje anomalni oscilace
BooNE (Booster Neutrino Experiment) je název projektu pro výzkum oscilací neutrin, který se nachází v částicové laboratoři Fermilab v USA. Zatím byla realizována pouze první fáze tohoto projektu – experiment MiniBooNE. Finální projekt bude zahrnovat stavbu druhého detektoru v jiné vzdálenosti od zdroje, což výrazně zlepší přesnost měření parametrů oscilací. Experiment MiniBooNE je navržený tak, aby bylo možné měřit oscilace neutrin za podobných podmínek jako na LSND a ověřit tak poněkud kontroverzní data naměřená na experimentu LSND. Princip produkce a detekce neutrin je podobný jako v případě LSND s tím rozdílem, že průměrná energie neutrin je přibližně o řád vyšší (500 MeV ) než u experimentu LSND, ale vzdálenost mezi detektorem a zdrojem neutrin je také přibližně o řád vyšší (500 m). Poměr neutrin, které změní svoji vůni, než dorazí k detektoru MiniBooNE, by měl být podobný jako v případě LSND. Vlastní detektor je tvořen kulovou nádobou o průměru přibližně 12 m, která je naplněná přibližně 818 tunami minerálního oleje. Světelné signály měří 1 520 fotonásobičů – většina z nich pochází z experimentu LSND.
Schématický obrázek detektoru MiniBooNE. Hlavní část detektoru tvoří kulová nádrž o průměru 12 m. Nádrž je rozdělena na dvě části. Vnitřní část slouží k detekci neutrin a vnější (veto oblast) slouží k detekci kosmického záření. Pomocí dat vnějšího detektoru můžeme efektivně eliminovat vliv kosmického záření na data z vnitřního detektoru. Zdroj: Intarnational Science Grid.
Fotografie detektoru MiniBooNE. Je zde vidět nádoba obsahující přes 800 tun minerálního oleje, která vyplňuje podstatnou část experimentální haly. Zdroj: LANL.
Vizualizace události zachycené detektorem MiniBooNE. Elektricky nabitá částice proletěla detektorem nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. Došlo k emisi Čerenkovova záření, k teré bylo detekováno fotonásobiči. Zdroj: Asymptotia.
Naměřené údaje ukazují přebytek asi dvaceti elektronových antineutrin oproti očekávanému pozadí (přibližně 100 νe). Tato data jsou konzistentní s výsledky experimentu LSND. Existuje několik hypotéz jak vysvětlit pozorované anomálie. Patrně nejdiskutovanější z nich je existence hypotetického čtvrtého neutrina, které tvoří jeden ze stavů, mezi kterými mohou neutrina oscilovat. Takové neutrino by muselo interagovat pouze gravitačně, a proto bychom jej v detektorech nikdy nezaznamenali. Toto neutrino se nazývá sterilní neutrino. Doposud naměřené výsledky z experimentu MiniBooNE ukazují ještě další anomálii. Ukazuje se, že neutrina oscilují jinak, než antineutrina. Podobné výsledky potvrdil také experiment MINOS, který se nachází v Minnesotě v USA. Pokud jsou tyto výsledky skutečné, znamenalo by to, že neutrina jsou dalším zdrojem narušení CP symetrie.
Závěr
Neutrinové experimenty představují velmi slibný způsob jak zkoumat fyziku za hranicemi Standardního modelu. Měření parametrů oscilací neutrin, objasnění dat z experimentu LSND nebo zkoumání možnosti narušení CP symetrie u neutrin je výzvou současné neutrinové fyziky. Prokázání existence sterilního neutrina by poskytlo možného kandidáta na vysvětlení podstaty temné hmoty ve vesmíru. Všechny neutrinové experimenty ale trpí nedostatkem statistiky způsobené „neochotou“ neutrin interagovat s detektory. Zdá se tedy, že pro objasnění všech těchto jevů budou muset neutrinoví fyzikové trpělivě čekat na zvýšení statistiky detekovaných neutrin.
Zdroje:
