Česká cesta ke KATRIN  
V německém Karlsruhe bylo 11. června 2018 oficiálně zahájeno měření na unikátním zařízení KATRIN (The KArlsruhe TRItium Neutrino experiment). Podílí se na něm skupina elektronové spektroskopie z oddělení jaderné spektroskopie ÚJF, která se tohoto projektu účastnila od naprostého počátku. O své velmi zajímavé zkušenosti se s námi podělil její dlouholetý vedoucí Ing. Otokar Dragoun, DrSc. Rozhovor s  Otokarem Dragounem vedla Naděžda Witzanyová.

Otokar Dragoun u elektrostatického spektrometru ESA12 (zdroj ÚJF AV ČR)
Otokar Dragoun u elektrostatického spektrometru ESA12 (zdroj ÚJF AV ČR)

NW: Jak se vlastně na neutrina přišlo?

OD: Hypotéza o možné existenci neutrina vznikla v souvislosti s výzkumem radioaktivity na počátku 20. století. V roce 1914 James Chadwick prokázal, že energetické spektrum elektronů, emitovaných při rozpadu β, je spojité. V době, kdy fyzikové znali jen dvě elementární částice – proton a elektron – očekávali, že mateřské atomové jádro se při rozpadu β rozdělí na dvě části: dceřiné jádro a elektron (tedy částici β). Pak by spektrum částic β nemělo být spojité, a ono bylo. Jak to? Vypadalo to, že v mikrosvětě neplatí zákon zachování energie – i Niels Bohr o tom vážně uvažoval. Bezvýchodnou situaci se pokusil vyřešit v roce 1930 Wolfgang Pauli „zoufalým předpokladem“, že v atomovém jádru existuje dosud nepozorovaná neutrální částice ‒ neutrino. Kdyby se o celkovou energii rozpadu β dělily tři částice (platilo by například 3H → 3He + e-- + ν̅e), byla by jejich energetická spektra spojitá.

 

Existenci neutrina předpověděl Wolgang Pauli (zdroj CERN).
Existenci neutrina předpověděl Wolfgang Pauli (zdroj CERN).

NW: Tajemná částice, zoufalý předpoklad…Jak to vzal vědecký svět?

OD: V prosinci 1930 se v Tübingenu konala vědecká konference, na níž Pauli zaslal dopis, ve kterém představuje „drahým radioaktivním dámám a pánům“ svou hypotézu o tajemné částici… a současně se z účasti na konferenci omlouvá, protože musí do Curychu na ples. S publikací své revoluční myšlenky Pauli váhal. Též kvůli výpočtům, které naznačovaly, že se neutrina nepodaří nikdy pozorovat.

Odvážnější Enrico Fermi vytvořil již v roce 1934 teorii rozpadu β zahrnující Pauliho hypotetické neutrino. Předpokládal však, že neutrino ani elektron (částice β) uvnitř atomového jádra nejsou, ale vzniknou až v okamžiku rozpadu β. Zjistil, že jím předpovězený tvar spojitého spektra β je v souladu s většinou tehdejších experimentů. Ukázal též, že přesné měření koncové části spektra β nabízí principiální možnost změření hmotnosti této podivuhodné částice. Fermimu vděčíme i za samotný pojem „neutrino“ (v italštině něco jako „malý neutrální chlapík“). Fermiho hlavní představy o β-rozpadu platí dodnes, i když to zpočátku tak nevypadalo. Tak je to ale ve vědě často. Vědci se v této věci liší od umělců: fyzikální teorie jsou překonávány, zpřesňovány, Michelangelo zůstává.

 

NW: A proč některá měření s Fermiho teorií nesouhlasila?

OD: Elektrony mimořádně rády ztrácejí energii při interakci s prostředím. Ztratil-li elektron část své původní energie již při výstupu z radioaktivního zdroje, zaznamenal jej spektrometr β při nižší energii.

Proč symbol ν̅e. Symbol, používaný pro elektronové antineutrino ν̅e, vypadá složitě, ale má své důvody. Podle současných znalostí existuje ke každé elementární částici i její antičástice. U antineutrina ale dodnes nevíme, zda se od neutrina liší, či je s ním identické. A index „e“ označuje elektronové neutrino - existují totiž i mionová a tauonová neutrina.

To vedlo ke zkreslení měřeného spektra, které pak s Fermiho předpovědí nesouhlasilo. Vyloučení energetických ztrát je hlavním úkolem i současných experimentátorů pátrajících po hmotných neutrinech ve spektrech záření β. Fermi ze srovnání svých spekter β s experimenty odvodil, že hmotnost neutrina je pravděpodobně nulová.

 

Magnetický spektrometr elektronů sestrojený v provizorních laboratořích tehdejšího ÚJF ČSAV v tribunách strahovského sportovního stadion v roce 1957 a později přemístěný do Řeže změřil mnoho spekter konverzních elektronů (zdroj ÚJF AV ČR).
Magnetický spektrometr elektronů sestrojený v provizorních laboratořích tehdejšího ÚJF ČSAV v tribunách strahovského sportovního stadion v roce 1957 a později přemístěný do Řeže změřil mnoho spekter konverzních elektronů (zdroj ÚJF AV ČR).

NW: A v tom neměl pravdu?

OD: Neměl, ale téměř půl století to nebylo jasné. O změření hmotnosti neutrina usiluje již třetí generace fyziků. V roce 1948 se jim podařilo zjistit její horní hranici m(ν̅e)≤ 5 keV a v roce 2005 dospěli až k horní hranici m(ν̅e)≤ 2 eV. Teoretici přitom léta pro jednoduchost předpokládali, že tato hmotnost je nulová, i když to žádný fyzikální princip nevyžadoval. Experimenty v posledním dvacetiletí prokázaly existenci neutrinových oscilací, z nichž vyplynulo m(ν̅e)≥ 0,05 eV. Víme tedy již, že neutrina jsou hmotné částice, ale přesnou hodnotu jejich hmotnosti zatím neznáme. A tím se dostáváme ke spektrometrům záření β.

 

NW: Jaká byla vaše cesta ke spektrometrům?

OD: Mým prvním vysněným cílem bylo studium na vynikající průmyslovce sdělovací elektrotechniky v pražské Ječné ulici. Ve 4. ročníku jsem využil možnost přestoupit do fyzikální třídy, která připravovala techniky pro jaderný výzkum. Podobnou cestou šel i ing. Milan Čihák, CSc., z našeho ústavu. Vzhledem ke své tužbě po výzkumné práci v laboratoři jsem v roce 1956 nastoupil do ÚJF. Začínal jsem jako technik u prvního československého spektrometru záření β, který sestrojil zakladatel oboru Zdeněk Plajner. Již za rok jsem ale přišel na to, že potřebuji více znalostí. To se od té doby nezměnilo, stále se učím.

Padesátá léta byla vůbec obdobím rozkvětu jaderné fyziky a jaderné energetiky. Nadšení pro atomový věk bylo cítit v celé společnosti. V roce 1955 byl založen Ústav jaderné fyziky, na Univerzitě Karlově vznikla Fakulta technické a jaderné fyziky (FTJF), později byla přesunuta na ČVUT jakožto dnešní FJFI. V srpnu 1956 jsem nastoupil do Ústavu jaderné fyziky v Hostivaři, kde byl v budově starého mlýna umístěn první urychlovač a spektrometr β. Administrativu jsme měli na Gorkého náměstí (dnes se jmenuje Senovážné). V roce 1957 jsme se přemístili s některými spektrometry do tribun strahovského stadionu, a poté na dnešní pracoviště v Řeži.

V padesátých letech platilo embargo na nákup elektronových spektrometrů ze Západu. Uvalily je západní vlády, protože měly strach z jejich vojenského zneužití východním blokem. Tak jsme museli vše vyrábět sami.

Kolega Antonín Špalek u magnetického spektrometru elektronů (zdroj ÚJF AV ČR).
Kolega Antonín Špalek u magnetického spektrometru elektronů (zdroj ÚJF AV ČR).

Embargo mělo nečekaný účinek: když nám později Švédové přišli nabídnout ke koupi svůj přístroj, byli překvapeni, že náš spektrometr má srovnatelné parametry. Neměli nám co lepšího nabídnout.

 

Naše spektrometry s železnými magnety ale nemohly měřit nízkoenergetické elektrony pod 20 keV. V Maďarsku, v debrecínském ústavu ATOMKI, vyvinuli elektrostatický spektrometr, který to dokázal. Ten jsme chtěli, byl ale pro nás cenově zcela nedostupný. V roce 1975 jsme od tehdejší ČSAV získali mimořádnou dotaci z investičních prostředků vrácených některými ústavy. Mělo to ovšem háček: museli jsme se zavázat, že do konce roku bude přístroj na území ČSSR. Díky mimořádnému úsilí maďarských kolegů se to podařilo. Když 19. prosince přišel z celnice ve slovenském Štúrovu dálnopis, že „zboží překročilo státní hranici“, měli jsme doma se svými malými dětmi jedny z nejhezčích vánoc. A dodaný spektrometr byl dokonce lepší než původní předloha. Konstruktér v ATOMKI, fyzik Dezsö Varga, totiž prohlásil: „Nemůžu stavět kopii, když vím, že už to umím lépe.“

 

Na svou manželku Naďu Dragounovou se mohl spolehnout i v oblasti elektroniky (zdroj ÚJF AV ČR)
Na svou manželku Naďu Dragounovou se mohl spolehnout i v oblasti elektroniky (zdroj ÚJF AV ČR)

NW: Splnil elektrostatický spektrometr vaše očekávání?

OD: Překonal, ale až po několika letech soustavné práce. Nejprve se ukázalo, že vysokonapěťové zdroje neměly pro naše nejpřesnější měření dostatečnou stabilitu. Podezíral jsem změny vlhkosti vzduchu v laboratoři. Moje manželka Naďa, která převzala péči o elektrickou část přístroje, však měřením zdrojů v klimatizační komoře zjistila, že na vině jsou změny teploty v jejich okolí. Intenzivním chlazením zdrojů se jí podařilo napěťovou stabilitu desetinásobně zlepšit, což ocenili i jejich tvůrci v ATOMKI. Vyzkoušeli jsme i nezamýšlený způsob měření s retardací elektronů před jejich vstupem do analyzátoru. Světelnost přístroje sice výrazně poklesla, ale rozlišení se zlepšilo až na 0,9 eV. A to byla v roce 1983 vůbec nejlepší hodnota dosažená v elektronové spektroskopii radionuklidů. Umožnila nám rozlišit ve spektru elektrony, které vystoupily ze zdroje, bez jakékoliv ztráty energie.

 

NW: Byl to významný pokrok?

OD: Nesporně. Čáry těchto elektronů byly nejen úzké, ale zcela symetrické. Jejich poloha byla správnou mírou původní energie elektronů. Při předchozích měřeních s horším rozlišením byly čáry deformovány energetickými ztrátami elektronů a přesné určení polohy a intenzity čar bylo svízelné.

 

Otokar Dragoun v roce 1977 se svým tehdejším studentem Aloisem Kovalíkem, který je nyní také významným pracovníkem v spektrometrii elektronů a zástupce ředitele laboratoře v SÚJV Dubna (zdroj ÚJF AV ČR)
Otokar Dragoun v roce 1977 se svým tehdejším studentem Aloisem Kovalíkem, který je nyní také významným pracovníkem v spektrometrii elektronů a zástupce ředitele laboratoře v SÚJV Dubna (zdroj ÚJF AV ČR)

NW: K čemu jste tento nový způsob měření využili?

OD: K měření nepatrných změn vazbové energie atomových elektronů. Navzdory všeobecnému mínění totiž tato energie závisí na fyzikálně chemickém prostředí zkoumaných atomů. V učebnicích fyziky se často považuje vazbová energie Eb za konstantu od přírody. Když ale měříte dostatečně přesně, tak jí není… přesněji řečeno je jí jen v některých prostředích, jako je řídký plyn.

Pro naši budoucí práci v neutrinovém projektu KATRIN to mělo rozhodující význam. Díky vysokému rozlišení našeho přístroje jsme též dokázali kalibrovat elektronové dělo, které fyzikové v Troicku u Moskvy potřebovali k ověření činnosti jejich spektrometru, určeného ke zkoumání hmotnosti neutrina. Spolupracovali jsme i s kolegy z Fyzikálního ústavu Univerzity Johannese Guttenberga v Mohuči (Mainzu), kde rovněž pátrali po této fundamentální veličině.

 

NW: Měli jste nějakou výhodu vůči podobným výzkumným skupinám v ostatních zemích?

OD: Ano, protože jsme dokázali – byť v nepatrné oblasti fyziky – spojit svá přesná měření s rozsáhlými výpočty. Šlo o výzkum vnitřní konverze záření gama, při kterém vzbuzená atomová jádra předávají část své energie elektronům vlastního atomového obalu. Mrzelo mne, že v našich elektronových spektrech jsou čáry, u kterých chyběl teoretický protějšek. Pro ně byly k dispozici jen obecné vzorce v hrubé fyzikální aproximaci, které jsme zvolili k vypracování výpočetního programu. Práce se ujala moje manželka Naďa, která byla v té době na mateřské dovolené. Naučila se programovat a svým charakteristickým přístupem – zkontrolovat absolutně všechno – zjistila, že některé komerční procedury pro výpočty s komplexními čísly jsou chybné.

Zdrojem neutrin jsme i my.       Neutrina jsou společně s fotony zdaleka nejpočetnějšími částicemi ve vesmíru: na každý atom jich připadají miliardy. Neutrina zbylá po Velkém třesku vyplňují celý vesmírný prostor. Mocným zdrojem neutrin je Slunce, výbuchy některých supernov, atomové reaktory i některé urychlovače. Neutrina vznikají i při interakci kosmického záření s atmosférou Země. Dokonce i každý z nás emituje asi 4000 neutrin za vteřinu, protože se v našich tělech rozpadá stopové množství přirozeně radioaktivního draslíku 40K. Z neutrin však nemusíme mít vůbec žádné obavy. Nehledě na jejich obrovské množství, procházející neustále našimi těly, stěží jedno z nich dokáže změnit jediný atom našeho těla za celý život.


S opravenými procedurami začal program dávat rozumné výsledky a já jsem mohl k jejím hodnotám intuitivně aplikovat přibližnou opravu na atomové stínění. K mému úžasu se ukázalo, že funguje dokonale i pro vnější atomové slupky. Chvíle, kdy jsme to ověřili, patří k nejhezčím okamžikům mého profesního života.

Také díky Nadě se mi tedy podařilo experimentálně dokázat, že atomové pole ve vnitřní části atomu má stejný tvar jako v coulombovském poli, jen se změněnou intenzitou. Díky našim výpočtům získali experimentátoři teoretické předpovědi koeficientů vnitřní konverze pro všechny atomové slupky. V té době jsem byl pozván na konferenci do Nashville v Tennessee (USA). Když jsem tam naši metodu přednesl a řekl, že zájemcům naše rozsáhlé tabulky zdarma pošlu, přicházeli za mnou i vědci zvučných jmen, která jsem znal třeba jen z literatury.

 

Logo experimentu KATRIN (zdroj KATRIN)
Logo experimentu KATRIN (zdroj KATRIN)

NW: A jak jste se stal spoluzakladatelem experimentu KATRIN?

OD: V polovině 90. let minulého století byly soudobé spektrometry β již na hranici svých možností. V lednu 2001 proběhl v německém Bad Liebenzell mezinárodní seminář ohledně hmotnosti neutrina v řádu sub–eV, na kterém jsem měl zvanou přednášku. Sešlo se asi padesát odborníků a diskutovalo o tom, zda lze za současného stavu techniky zkonstruovat ještě výkonnější spektrometr. Účastnili se i američtí vědci, kteří se rozhodli „jít do toho“ v duchu spolupráce, ne si postavit svůj konkurenční spektrometr. Přítomen byl i německý ministerský rada a profesor fyziky Jűrgen Richter, který vyzval německé univerzity k aktivní účasti a přislíbil tři miliony tehdejších německých marek.

Monitorovací spektrometr experimentu KATRIN, který bude zajišťovat extrémně přesnou kalibraci je ten, se bude nejvíce opírat o práci českých fyziků (zdroj KATRIN).
Monitorovací spektrometr experimentu KATRIN, který bude zajišťovat extrémně přesnou kalibraci je ten, se bude nejvíce opírat o práci českých fyziků (zdroj KATRIN).

V červnu pak byla založena kolaborace KATRIN, jejímž jsem tedy „otcem spoluzakladatelem“. Stanovili jsme železné pravidlo: „Chceš být se svou výzkumnou skupinou členem KATRIN? Jsi vítán, pokud převezmeš zodpovědnost za její část.“

 

My jsme se zavázali vyvinout energetický standard elektronů s extrémně vysokou stabilitou ± 3 ppm po dobu dvou měsíců. Po desetiletém úsilí máme radioaktivní standard 83Rb/83mKr s třikrát lepší stabilitou, než KATRIN požadovala. Bez současného vedoucího naší skupiny Drahoše Vénose, s metrologickým způsobem práce a zkušenostmi z precizní spektroskopie záření γ, bychom to stěží dokázali. Kromě toho jsme vyvinuli testovací zdroj plynného 83mKr s vysokou aktivitou 1GBq, připravovanou na cyklotronu v ÚJF. Zde se významně uplatnili radiochemik Ondřej Lebeda a urychlovačový expert Jan Štursa. Náš plynný 83mKr se plně osvědčil při zkouškách celého komplexu KATRIN v létě 2017.

 

Instalace elektrod uvnitř spektrometru KATRIN (zdroj KATRIN).
Instalace elektrod uvnitř spektrometru KATRIN (zdroj KATRIN).

NW: 11. června 2018 proběhla inaugurace KATRIN. Co můžeme od tohoto unikátního projektu očekávat?

OD: Krátce před touto událostí, které se účastnili i dva nositelé Nobelovy ceny za objev neutrinových oscilací, změřila KATRIN své první tritiové β-spektrum, které pracovníci KATRIN představili na celosvětové konferenci NEUTRINO 2018 v Heidelbergu. V letošním roce budou dokončena rozsáhlá kalibrační a testovací měření. Po krátkém měření s úplnou aktivitou tritiového zdroje lze očekávat zopakování výsledku nejlepších předchozích experimentů: m(ν̅e)≤ 2 eV. A pak již začne postupné zlepšování této horní hranice až k desetinásobku dosavadní citlivosti, tedy na 0,2 eV. To si s technickými přestávkami vyžádá dalších pět let.

 

NW: V čem vidíte důležitost studia hmotnosti neutrina?

OD: Neutrina v počátečních fázích vesmíru rozhodovala nejspíše o tom, jakým způsobem se budou tvořit velkorozměrné útvary galaxií. Určení hmotnosti neutrina je důležité pro částicovou fyziku a pochopení vzniku i povahy vesmíru, ve kterém žijeme. Můj osobní sen je, že se mocnými zdroji neutrin a jejich detektory – třeba na ponorkách – podaří prozkoumat vnitřek Země tak důkladně, že geologové dokážou výrazně zpřesnit své předpovědi ničivých zemětřesení.

 



Poděkování: Když jsem v polovině osmdesátých let začal pracovat na své diplomové práci v Ústavu jaderné fyziky, byl jednou z opravdových osobností, které jsem tam potkal, právě Oto. To, co jsem u něj vždy obdivoval, byla, kromě širokého přehledu a velmi hlubokých znalostí, hlavně obrovská erudice, pečlivost, trpělivost a soustředěnost, se kterou ke všemu přistupoval. To jsou pro vědeckou práci při extrémně přesných měřeních ty nejdůležitější vlastnosti. Se stejnou pečlivostí však Oto přistupuje k přípravě přednášky nebo před exkurzí, kterou provází u spektrometru. A úplně stejně, ať se jedná o povídání o jeho milovaných elektronech a neutrinech pro středoškolské studenty nebo o klíčovou zvanou přednášku v zahraničí. Už dlouho spolu sedíme na jedné chodbě a tak jej potkávám, když se na zmíněná vystoupení na chodbě připravuje. Protože při chůzi se dá nejlépe soustředit. A mám často ten požitek s ním o fyzice a zvláště té neutrinové diskutovat. Stejně jako já je fanda popularizace vědy a fyziky mezi mládeží. A i v této oblasti mi je vzorem. Takže bych mu chtěl poděkovat nejen za pěkný rozhovor. A poděkování patří také Naděždě Witzanyové, která jej iniciovala a uskutečnila. Vladimír Wagner

 


Ing. Otokar Dragoun, DrSc.

  • 1962 dokončil studia experimentální fyziky na ČVUT

  • zaměstnán v Ústavu jaderné fyziky ČSAV, v roce 1967 získal titul CSc., v roce 1985 pak titul DrSc.

  • v letech 1966 – 1969 hostoval na Max-Planck-Institutu pro jadernou fyziku v Heidelbergu

  • v letech 1992 a 1994 krátce pobýval jako hostující profesor na Technické univerzitě Mnichov

  • 1972 - 2005 vedoucí výzkumné skupiny elektronové spektroskopie v ÚJF AV ČR Řež

  • 2001 jedním z „otců zakladatelů“ Karlsruhe Tritium Neutrino experiment – KATRIN

  • specializuje se na přesnou elektronovou spektroskopii radioaktivních vzorků

  • původně se zabýval procesem vnitřní konverze záření gama

  • poslední čtvrtstoletí vyhledává hmotná neutrina ve spektrech rozpadu beta

  • je spoluautorem zhruba 110 vědeckých článků, byl vyžádaným přednášejícím na 23 mezinárodních konferencích

 

Video: Přednáška o neutrinech pro středoškoláky v rámci Týdne vědy:

 

Datum: 17.08.2018
Tisk článku

Budoucnost lidstva - Kaku Michio
 
 
cena původní: 397 Kč
cena: 333 Kč
Budoucnost lidstva
Kaku Michio

Diskuze:

Milan Krnic,2018-08-20 22:41:12

Naprosto skvělý rozhovor. Klobouk dolů.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace