Neutrina jsou elementární částice nepatrné hmotnosti, které s látkou interagují jen slabou interakcí, snadno projdou například i celou Zemí. Vědci postavili několik desítek detektorů, které zachytávají neutrina různého původu. Neutrina vznikají v jaderných reaktorech, v termojaderném kotli hluboko v nitru hvězd (včetně našeho Slunce ), v horních vrstvách atmosféry při interakci kosmického záření s atomy a molekulami vzduchu, při explozích supernov, ale i v nitru Země při radioaktivním rozpadu látek. Neutrinové detektory se staví zpravidla hluboko pod zemí nebo pod mořskou hladinou, kam již pronikne jen zlomek částic kosmického záření , nicméně pro neutrina není cesta skrze kilometry horniny či vody žádným problémem. V dnešním bulletinu se seznámíme s detektorem BOREXINO umístěným v Itálii pod horou Gran Sasso.
|
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). 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. |
Národní laboratoř Gran Sasso
Národní laboratoř v Gran Sasso (LNGS, Laboratori Nazionali del Gran Sasso) je italská laboratoř umístěná v hloubce 1 400 m pod povrchem, nachází se mezi městy L'Aquila a Teramo, přibližně 120 km od Říma. Experimenty jsou rozmístěny na boku tunelu dlouhého 10 km, který prochází pod horou Gran Sasso mezi oběma městy. Jsou zde tři velké experimentální haly, každá má délku 100 m, šířku 20 metrů a výšku 18 metrů. Laboratoř má 750 zaměstnanců z 22 zemí světa a v současnosti provozuje 18 experimentů zaměřených na sledování vlastností neutrin a detekci částic temné hmoty. Názvy jednotlivých experimentů jsou: BOREXINO, COBRA, CRESST, CUORE, DAMA/LIBRA, ERMES, GERDA, GIGS, ICARUS, LUNA, LVD, OPERA, PULEX2, TELLUS, UUNDERSEIS, VIP, WARP, XENON.
Většina výzkumu je orientována na neutrina. V blízkosti není žádný jaderný reaktor, který by produkoval neutrinový šum, a tak jde o ideální místo pro výzkum neutrin. Směrem na Gran Sasso je namířen svazek neutrin ze střediska jaderného výzkumu CERN , experiment se nazývá CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso). Neutrina procházejí pod zemí a je možné sledovat jejich oscilace (změnu jednoho druhu neutrina na jiný v důsledku nenulové hmotnosti neutrin). V laboratoři jsou ale sledována i neutrina sluneční, atmosférická, neutrina ze supernov a neutrina vznikající v nitru Země (geoneutrina).
Národní laboratoř v Gran Sasso. Experiment BOREXINO je v hale C. Zdroj LNGS.
Experiment CNGS, ve kterém letí neutrina ze střediska CERN do Gran Sasso.
BOREXINO
Detektor BOREXINO byl zprovozněn v italské Národní laboratoři Gran Sasso v roce 2007, nachází se v hale C. Původním záměrem byla detekce slunečních neutrin s nízkou energií, která pocházejí z pp řetězce a CNO cyklu. Nízkoenergetická neutrina jsou produkována prvky 7Be a 8B. Podle prvku bor , anglicky boron, byl detektor pojmenován jako BOREXino (BORon EXperiment). Detektor poněkud připomíná obří cibuli. Jeho srdcem je nylonový balón (sféra) o průměru 8,5 metru, jenž je naplněn 278 tunami scintilační tekutiny. Tou je difenylozazol rozpuštěný v pseudokumenu v množství 1,5 gramu na litr. Psoudokumen je průhledná smradlavá tekutina, která se vyskytuje v uhelném dehtu a ropě v množství cca 3 %. Z chemického hlediska jde o aromatický uhlovodík, izomer 1,2,4-trimetylbenzenu. Scintilační kapalina je stíněna od vnějšího záření (jehož zdrojem je především radon ) zásobníkem s 890 tunami stínícího roztoku (5 gramů dimetylftalátu v jednom litru pseudokumenu). Stínícím roztokem je naplněna vnější nylonová sféra o průměru 11,5 metru. Ta je uložena v ocelové slupce SSS o průměru 13,7 metru. Ocelová slupka je ponořena do vodního tanku (průměr 18 metrů), který obsahuje mimořádně čistou vodu. Ta slouží jako pasivní ochrana před neutrony a gama zářením. Pod detektorem jsou dva ocelové stínící pláty. Větší má rozměr 8×8 metrů a tloušťku 10 cm, menší má 4×4 metry a tloušťku 4 cm.
Záblesky ze scintilační tekutiny jsou zachytávány vnitřním detektorem složeným z 2 212 fotonásobičů s rozměrem 20 cm. Čerenkovovo záření způsobené prolétávajícími miony je detekováno 208 fotonásobiči tzv. vnějšího detektoru. Jejich rozměr je opět 20 cm. Detektor aktivně zachytává především elektronová antineutrina za pomoci inverzního beta rozpadu:
νe + p → e+ + n
Pozitron vzniklý při záchytu v kapalném scintilátoru téměř okamžitě anihiluje s elektronem za vzniku γ fotonu s energií 511 keV . Neutron je přibližně za 256 μs zachycen protony za vzniku fotonu s energií 2,22 MeV. Záchyt neutrina je tak doprovázen dvěma po sobě jdoucími fotony charakteristických energií.
Schéma detektoru BOREXINO. Zdroj: LNGS.
Pohled na ocelovou slupku SSS při montáži. Zdroj: LNGS.
Instalace vnitřních fotonásobičů. Zdroj: LNGS.
Geoneutrina
Jedním z úkolů detektoru bylo hledání geoneutrin – neutrin vznikajících při radioaktivním rozpadu v nitru Země. Radioaktivita by měla být jedním z významných zdrojů vnitřního ohřevu zemského tělesa. Za dva roky práce detektoru bylo zachyceno pouze 10 geoneutrin. Tento výsledek je v rozporu s hypotézou, že radioaktivita je základním mechanizmem ohřevu Země. Na japonském detektoru KamLAND zachytili v průběhu roku 2008 pouze 73 geoneutrin, což by italský výsledek potvrzovalo. Nicméně je třeba obezřetnosti. Nejistota při interpretaci zachyceného neutrina jako geoneutrina je značná a výzkum geoneutrin by potřeboval specializovaný detektor umístěný hluboko pod mořskou hladinou, v místě, kde je zemská kůra tenká a podíl geoneutrin z nitra Země je vyšší vzhledem k ostatním zdrojům neutrin.
Intenzita geoneutrin v závislosti na jejich energii počítaná z předpokládaného zastoupení
radioaktivních izotopů v zemském nitru. Zdroj: W. F. McDonough, 1999.
1. G. Bellini et al.: Observation of Geo-Neutrinos; arXiv:1003.0284v2 [hep-ex] 20 Mar 2010
2. Edwin Cartlidge : Borexino bags geoneutrinos; Physics World, Mar 12 (2010)
3. Borexino Experiment Homepage
4. Michal Marčišovský: Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska; AB 46/2005
5. Petr Kulhánek: Novinky ze světa neutrin; AB 5/2005
6. Petr Kulhánek: Reliktní záření neutrin; AB 29/2005
7. Petr Kulhánek: ANTARES – největší podmořský detektor neutrin na světě spuštěn; AB 4/2009
