OPERA

O neutrinech a jejich vlastnostech referujeme relativně často. Dnes se zaměříme na jeden zcela výjimečný experiment. Neutrinový svazek vytvořený v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN je namířen směrem na Itálii a po 732 kilometrech letu skrze Zemi jsou neutrina chytána italským detektorem OPERA, který se nachází 1 400 metrů pod zemí, pod horou Gran Sasso. Hlavním cílem je sledování oscilací neutrin a zpřesnění informací o jejich hmotnostech. V květnu 2010 se v tomto experimentu historicky poprvé podařilo detekovat oscilaci mionového neutrina na tauonové. Pojďme se s tímto neuvěřitelným experimentem seznámit podrobněji.

Logo experimentu

Příprava neutrin

Neutrina pro experimenty pod horou Gran Sasso jsou připravována v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Svazek urychlených protonů z urychlovače SPS je namířen na terč, ve kterém se z protonů stane svazek pionů a kaonů (jde o mezony složené z kvarku a antikvarku). Tyto piony se v kilometr dlouhé vakuované rozpadové trubici rozpadají na miony a mionová neutrina. Vzniklý svazek neutrin míří přibližně ve směru původního protonového svazku (směrem na italskou horu Gran Sasso). Jde téměř o čistý svazek mionových neutrin, pouze 0,8 % tvoří elektronová neutrina a 2 % mionová antineutrina. Cesta z CERNu (Ženevy) pod horu Gran Sasso je dlouhá 732 kilometrů a neutrina ji uletí za něco málo přes dvě milisekundy. Většina z nich detektor mine, ale i tak je tok neutrin z CERNu pod horou Gran Sasso obrovský. Každým metrem čtverečním jich proletí 500 miliard za rok (16 000 za sekundu). Průměrná energie těchto neutrin je 17 GeV.

Neutrina připravená v CERNu jsou sledována v italské laboratoři pod horou Gran Sasso.

Gran Sasso

Národní laboratoř Gran Sasso byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly (A, B, C), každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. V těchto experimentálních halách je v současnosti umístěno 18 funkčních experimentů (o experimentu Borexino jsme psali v zde). Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m². Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare) a nad zemí mají správní budovy pro zaměstnance, jídelnu, přednáškový sál a další zázemí. Přístup do podzemí je z dálničního tunelu, který měří celkem 10 kilometrů. Nejbližší jaderný reaktor je až ve Slovinsku, a tak je zde minimum parazitních neutrin z umělých zdrojů. Národní laboratoř Gran Sasso má celou řadu aktivit. Základem je neutrinová fyzika zaměřená na hledání slunečních neutrin, atmosférických neutrin, neutrin z explozí supernov a z nitra Země. Experiment OPERA sleduje neutrina uměle vytvářená za tímto účelem v CERNu. K dalším aktivitám patří hledání temné hmoty, geofyzika a základní fyzika (experiment VIP například sleduje, zda není v některých situacích narušen Pauliho vyučovací princip). Aktivity Národní laboratoře jsou mimořádně široké.

Italská Národní laboratoř Gran Sasso.

OPERA

Neutrina jsou v detektoru OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) zachytávána ve speciálních cihličkách vyrobených ze střídajících se vrstev olova a citlivé emulze. Běžné neutrinové detektory jsou schopné detekovat elektronová a mionová neutrina. Detektor OPERA umí zachytit i tauonové neutrino a umožňuje tak sledovat oscilace svazku mionových neutrin letících z CERNu na tauonová. Pokud tauonové neutrino zainteraguje s olověným plátem v cihličce, vznikne tauon (supertěžký elektron). Ten se v zápětí rozpadne na mion (17 % případů), elektron (18 % případů) nebo pion (64 % případů). Průměrná rozpadová vzdálenost tauonového neutrina je 0,6 mm. Cihlička má rozměry 7,5×12,5×10 cm a přesahuje tedy 10 průměrných rozpadových vzdáleností tauonového neutrina. Její hmotnost je 8,3 kg.

Průřez částí cihličky. Střídají se vrstvy olova a dvojvrstvy citlivé emulze. V cihličce je 57 dvojvrstev emulze a 56 vrstev olova. V olovu interaguje tauonové neutrino a vznikne tauon. Stopy jeho produktů rozpadu jsou zaznamenávány v citlivé emulzi. Na schématu jde o zelené stopy v emulzi.

Na základě záznamu stop v emulzi se rekonstruuje původní událost. Na grafu je rekonstrukce události z předchozího snímku. Polohu vzniku tauonu a polohu jeho rozpadu je možné určit s přesností 0,3 μm, úhlové rozlišení je 2 miliradiány.

Cihličky připravené k osazení do detektoru. Jejich výroba je plně automatizovaná.

Sklad olověných cihliček do detektoru OPERA.

K výrobě olověných plátů do cihliček se použilo tzv. římské olovo. Jde o olovo z potopené římské lodi (potopila se mezi 80 až 50 lety př. n. l.), které bylo určeno pro stavbu vodovodního potrubí. Pod hladinou moře leželo netknuté 2000 let. Za tu dobu se již rozpadla většina radioaktivních jader a jde tedy o ideální materiál do detektorů a na jejich stínění. Zbytky potopené lodi byly objeveny v roce 1988 v hloubce 28 metrů, asi 1,5 km od sardinského pobřeží. Loď vezla původně 1000 ingotů, z nichž každý měl hmotnost 33 kilogramů. Část nákladu se dochovala a byla vyzdvihnuta v roce 1991. Národní ústav jaderné fyziky INFN přispěl na vyzdvižení částkou v přepočtu přibližně 4 miliony korun. Ingoty jsou uloženy v Národním archeologickém muzeu v Cagliari (jižní Sardínie) a část z nich se využívá v detektorech pod horou Gran Sasso.

Římské olovo

Z olověných cihliček je v detektoru OPERA postaveno 31 stěn, ve kterých je celkem 150 000 cihliček o celkové hmotnosti 1 300 tun. Mezi stěnami jsou plastové scintilátory, jejichž signál je sváděn svazky optických vláken. Ze záznamu scintilátorů lze automaticky vyhodnotit, ve kterých cihličkách by mohl být užitečný záznam (úspěšnost je 70 až 80 %). Robotické zařízení automaticky podle souřadnic vyjme podezřelé cihličky a předá je na vyvolání. Automaty vyvolají jednotlivé citlivé vrstvy a naskenují je pod mikroskopem. Skenování jedné cihličky trvá celý den. Vše je plně automatizováno, od balení cihliček, přes jejich ukládání do detektoru OPERA, vyjímání, vyvolání, skenování a uložení pořízených dat. Detektor je doplněn magnetickými spektrometry a dalšími pomocnými zařízeními. V průměru je zaznamenáno 46 interakcí mionových neutrin za den a předběžně se počítalo s jednou interakcí tauonového neutrina za rok. Úspěšnost nalezení rozpadu tauonu na elektron je 3,4 %, na mion 2,8 % a na pion 2,4 %. Celková úspěšnost zaznamenání události je tak kolem 9 %.

Aldebaran před detektorem OPERA. Černé části jsou detekční stěny z cihliček.

Detail stěny z detekčních cihliček.

Po svislé konstrukci se šplhá robot, který vyjímá cihličky z nitra stěn (tahá je za pomocí pásu, který je součástí stěny). Vytažené cihličky putují na vyvolání a skenování. Na jejich místo robot vkládá cihličky nové.

Stavba detektoru byla dokončena v roce 2006, kdy proběhly první testy. V plném provozu je detektor od roku 2008, kdy bylo zaznamenáno 1698 událostí, v roce 2009 to bylo již 3 500 událostí. Dne 31. května 2010 byl oznámen první nalezený rozpad tauonu, což znamená, že bylo zachyceno tauonové neutrino. Jde o historicky první tauonové neutrino zachycené jako produkt oscilace neutrin. Odhaduje se, že v celkové kolekci posbíraných dat by mohla být až tři tauonová neutrina (ze seriózních odhadů plyne přibližně jedna událost za rok). V tuto chvíli je nejdůležitější pokračování ve sběru dat a analýza zaznamenaných událostí, ze které bude možné zpřesnit odhad hmotnosti neutrin a jejich mixážních úhlů.

Zařízení pro skenování vyvolané emulze.

Zdroje:

1. OPERA, domovská stránka experimentu
2. INFN: Gran Sasso National Laboratory Experiments
3. INFN: Gran Sasso National Laboratory, propagační prezentace, 2010
4. Aldebaran: Expedice do Gran Sasso, 2010
5. Michal Marčišovský: Experiment CNGS – Neutrína z CERNu do Talianska; AB 46/2005
6. Petr Kulhánek: Neutrina z nitra Země pozorovaná v experimentu BOREXINO; AB 12/2010
7. Miroslav Havránek: Neobvyklé oscilace neutrin potvrzeny experimentem MiniBooNE; AB 42/2010
8. Nicola Nosengo: Roman ingots to shield particle detector; Nature News; Apr 15, 2010