Neutrinová observatoř v Antarktidě  
Mezinárodní tým vědců a inženýrů udělal další krok k dokončení světově ojedinělé neutrinové observatoře IceCube na jižním pólu Země.

 

Zvětšit obrázek
Dr.Francis Halzen, prof. fyziky (UW Madison) a hlavní vědecký pracovník projektu IceCube .

Hluboko pod povrchem antarktického ledovce vzniká nejmohutný neutrinový teleskop IceCube. http://icecube.wisc.edu Od výzkumu těchto záhadných částic si vědci slibují nové informace o minulosti i budoucnosti vesmíru.

 

 

Diskuse o klidové hmotnosti neutrin se rozvinuly poč. 80let min. století. Teprve nedávno se na základě experimentů astrofyzikové přiklonili k nenulové klidové hmotnosti neutrin - byla totiž prokázána tzv. oscilace neutrin, která může nastat jen při jejich nenulové klidové hmotnosti. Zájem o tuto problematiku byl podnícen relativistickými astrofyziky a kosmology.

 

Zvětšit obrázek
Rakouský fyzik Wolfgang Pauli (25.4.1900 - 15.12.1958), v roce 1945 získal Nobelovu cenu za fyziku (kvantová mechanika - Pauliho vylučovací princip).

 

Standardní kosmologický model vzniku a vývoje vesmíru totiž ukazuje, že krátce po velkém třesku vzniklo ve vesmíru obrovské množství neutrin. V případě klidová hmotnosti (větší než 5eV), by se nynější rozpínání vesmíru v budoucnosti zastavilo, vesmír by se začal smršťovat a skončil by tzv. „velkým krachem“ (uzavřený vesmír). V opačném případě by se vesmír rozpínal neustále, skončil by zastavením všech procesů uvolňujících energii a poklesem teploty na absolutní nulu (otevřený vesmír). Situace je však mnohem složitější a neutrina jsou jen jedním z "kandidátů" na temnou hmotu ve vesmíru a navíc se ukazuje, že nyní stanovená klidová hmotnost neutrin, by na uzavření vesmíru patrně nestačila.

 

Zvětšit obrázek
Neutrinový teleskop IceCube. Credit: Daan Hubert.

 

Vyvrátit nebo potvrdit dosavadní teorie mají neutrinové teleskopy, které se staví po celém světě.

 

Detektor Kamioka NDE (Kamioka Neutrino Detection Experiment), byl postaven v roce 1982 cínovém dole Kamioka v Japonsku v hloubce 820 m. Nádrž obsahuje asi 20 000 tun vysoce čisté vody. Rovněž měří vysokoenergetické části spekter neutronů ze Slunce. Významného úspěchu detektor dosáhl 23.února 1987, kdy zaregistroval záblesk 12 neutrin pocházející z výbuchu supernovy SN 1987A ve Velkém Magellanově oblaku.

Digitální optický senzor. Credit: Jeff Miller/ UW Madison

Detektor Super Kamioka NDE byl postaven v roce 1996 ve starém zinkovém dole 1700 m pod povrchem hory Ikena Jama poblíž městečka Kamioka. Válcová nádrž o průměru 34 m a výšce 36 m je naplněna téměř 50 000 tunami superčisté vody.
Neutrinový spektrometr SNO (Sudbury Neutrino Observatory) je umístěném v dole u Sudbury v Ontariu (Kanada). Zde je uvnitř nádoby se 7000 tun "lehké" vody (1H2O) umístěna další nádoba s 1000 tunami těžké vody (2H2O, tj. D2O). Výsledky měření ukázaly, že nedostatek slunečních neutrin ve všech předchozích experimentech je způsoben neutronovými oscilacemi.

Japonský detektor KAMLAND (Kamoioka Liquid Scintillator Neutrino Detector) je tvořen kulovou nádobou o průměru 13 m se scintilační kapalinou, která je obklopena vnějším Čerenkovovým detektorem s 3200 tunami vody. Detektor umožňuje detailnější studium oscilací neutrin.

 

 

Zajímavou a poněkud nezvyklou možností je využití k detekci neutrin mohutných mas křišťálově čistého přírodního ledu v rozsáhlých ledovcích v Antarktidě.
Prvním systémem tohoto druhu je AMANDA (Antarctic Mion AND Neutrino Detector Array) budovaná na Antartidě v letech 1996-2000.
Největším projektem je mezinárodní observatoř IceCube. Při jejím budování musí důmyslné „vrtáky“ zdolat proudem horké vody (kolem 80°C) led  pod jižním pólem a „vyvrtat“ šachty (hloubka až 2,4 km, průměr kolem 0,5 m), do nichž se spustí sférické digitální optické senzory (fotonásobiče), načež šachta po několika hodinách opět zamrzne. Senzory jsou umístěny v tlakuvzdorných skleněných koulích velikosti basketbalového míče.

Zvětšit obrázek
Robert Paulos, náměstek ředitele projektu IceCube project s digitálním optický senzorem. Credit: Ice Cube Project.

V ledu zamrzlé fotonásobiče budou propojeny elektrickými a světelnými kabely s vyhodnocovacím pozemským centrem, kde se informace zpracují a uloží pro další analýzy. Všechny fotonásobiče budou vybaveny i digitálními mikroprocesory pro rychlý a přímý přenos dat i do vzdálených počítačů zúčastněných vědců v amerických a evropských vědeckých institucích. Vznikne tak největší počítačová soustava na světě, ale technici ještě musí vyřešit jeden komunikační problém. Dnes jsou vědci odkázáni při přenosu dat na 4 zastaralé satelity (20 gigabytů informací za den, ale max. 12 až 16 hodin, přenosová rychlost 38,2 kilobitu/s), proto se počítá s položením optického kabelu (1670 km) k francouzské výzkumné stanici Concordia, která má trvalé spojení s mnohem výkonnějším satelitem. Výhodou je, že není potřeba v ledu hloubit žádné příkopy, kabel se postupně sám „zahrabe“.
 

 

Po dokončení by neutrinová observatoř měla sestávat z 5000 fotonásobičů, rozmístěných v 70 šachtách v různých hloubkách pod ledem. A svým celkovým objemem, který bude nakonec zahrnovat přibližně 1 km3 ledu (IceCube – „ledová krychle“), se stane největší detekčním vědeckým „přístrojem“ na světě.

 

 

Tento rok se má, podle vědců a vedoucích pracovníků projektu IceCube, velikost detektoru téměř zdvojnásobit. Stavba probíhá u jižní polární základny Amundsen-Scott (National Science Foundation"s Amundsen-Scott South Pole Station).

 

 

Ačkoli práce mohou probíhat jen od října do únoru, v době, kdy na jižním pólu je léto, i když kraťoučké a poměrně chladné - rozsah a rychlost stavby tento rok způsobily, že observatoř bude moci zanedlouho zahájit vědeckou činnost. Dokončení IceCube je naplánovano na rok 2011.

 

 

"Zprávy jsou celkem vzato dobré," říká Francis Halzen,  profesor fyziky (University of Wisconsin-Madison,  Madison, Wisconsin, USA) a vedoucí projektu.

 

 

Zvětšit obrázek
Teleskop AMANDA Telescope. Credit: Robert Morse

 

Podle Halzena a dalších pracovníků je IceCube založen na světelných stopách, které fotonásobiče snímají hluboko (asi 2,4 km) v zamrzlém průzračném antarktickém ledu. Senzory budou složit k detekci kratičkých stop, které zanechají vysokoenergetická neutrina při průletu Zemí. V kilometrových hloubkách v nitru ledovce za vysokých tlaků je led vysoce průhledný, kompaktní a bez bublinek, takže záblesky lze detekovat do vzdáleností desítek až stovek metrů.

 

 

Detekce neutrin se svou technikou i principy značně liší od detekce záření. Je velmi obtížná, protože neutrina nevykazují elektromagnetickou ani jinou silnou interakci, jen interakci slabou. Existenci  neutrin navrhl v roce 1930 rakouský fyzik Wolfgang Pauli.  Při radioaktivním rozpadu atomového jádra se mu „ztrácela“ část energie. Aby platil zákon zachování hmoty a energie, tak Pauli předpokládal, že současně s rozpadem jádra se uvolňují částice, které nelze zaznamenat žádnými tehdejšími přístroji. Pro jejich vlastnosti (žádný elektrický náboj, nulová nebo téměř nulová hmotnost, rychlost srovnatelná s rychlostí světla) obdržely název neutrina. A jsou schopné hladce pronikat jakoukoli hmotou. Pokud bychom je chtěli zachytit olověnou deskou, musela by mít tloušťku asi 1000 sv.l. (9,4.1015 km). Pauli sice zachránil energetickou rovnováhu svých výpočtů, avšak současně si povzdychl: "Udělal jsem něco hrozného. Vymyslel jsem částici, kterou nelze dokázat." První důkaz existence neutrin byl poskytnut až po objevu scintilačních kapalin v roce 1956 (pokud neutrino při své cestě kapalinou narazí na neutron nebo proton v atomovém jádře, vznikne sekundární částice, která se prozradí světelným zábleskem a speciální zesilovače - fotonásobiče - dokáží tyto záblesky zviditelnit pro přímé pozorování).

 

 

 

Zvětšit obrázek
Projekt IceCube. Credit: Daniel K. Brannan/UW Madison

K detekci neutrin se využívají dvě metody:
- interakce neutrin s nukleony, kdy neutrino interaguje v atomovém jádře s neutronem nebo s protonem. Poprvé se to pomocí tohoto procesu podařilo v roce 1956 F.Reinesovi a C.Cowanovi v laboratořích v Los Alamos. Jako zdroj neutrin použili výkonný jaderný reaktor v Savanah River a detektorem byla scintilační kapalina (triethylbenzen) s příměsí kamia (1400 litrů).
-  pružný rozptyl neutrina na elektronu (nastává u všech druhů neutrin), kdy se rychle letící neutrino srazí s elektronem, přičemž část energie předá elektronu. Odrazí se od něj (většinou v opačném směru) jako neutrino s nižší energií. Zatímco odražený elektron se většinou pohybuje ve směru původního (incidenčního) neutrina a proto může být detekován. Pokud se tento „nový“ elektron pohybuje v nějakém prostředí (např. ve vodě) rychlostí vyšší než je rychlost světla v tomto prostředí, vysílá tzv. Čerenkovovo záření, které lze detekovat fotonásobiči.

 

 

Neutrina jsou vysokoenergitické subatomární částečky (tzn. menší než atom), které vznikly při galaktických kolizích, vzdálených černých dírách, kvasarech, při nejmohutnějších dějích ve vesmíru. Nesou informace, které by nám mohly odhalit část tajemství vesmíru jako jsou gama záblesky, temná hmota a supernovy.

 

 

Ale miliardy kosmický neutrin projdou denně nepovšimnuty skrz Zemi a samozřejmě i lidské tělo a pro astrofyziky je jejich detekování extrémně obtížné. Odhaduje se, že každým 1 cm2 našeho těla proletí každou sekundu 70 miliard neutrin (většina z nich pochází ze Slunce).

 

 

Jen velmi velký detektor zvýší šance, že vědci chytí neutrino „při činu“, když právě narazí do protonu nebo další subatomární částice. Při nárazu vznikne nová částice - mion, která se prozradí modrým zábleskem (při bočním pohledu lze pozorovat světelný kužel). Detektory zachytí neutrinový záblesk s přesností miliardtiny sekundy, převedou ho na elektrický impulz a odešlou ho k povrchové stanici na vyhodnocení.

 

 

Zvětšit obrázek
Projekt IceCube. Credit: Journal Sentinel

Až bude IceCube dokončený, tak v krychlovém kilometru ledu pod pólem bude usazeno více než 4200 optických senzorů (fotonásobičů), které budou zachycovat stopy, které neutrino zanechá v ledu a jejich dráhy zpětně promítnou do vzdálených míst jejich původu. Navíc další 300 senzorů bude rozmístěno v nádržích na povrchu polárního ledu.

 

 

Protože se teleskop IceCube nachází na jižním pólu, pozoruje neutrina z oblohy na severní polokouli. Detektor využívá Zemi jako filtr, který bezpečně zachytí všechny další typy neutrin (např. ze Slunce) a bude identifikovat zdroje a distribuci vysokoenergetických neutrin, vytvořených při mohutnými kosmickými dějích, které jsou totiž svědky nepředstavitelně vzdálených událostí (kolize galaxií, výbuchy supernov apod.).

 

 

IceCube je postavený poblíž staršího projektu AMANDA (Antarctic Mion AND Neutrino Detector Array), který byl budovaný v letech 1996-2000 a sestával z více než 700 fotonásobičů, zapuštěných pod antarktický led v 19 šachtách hloubky přes 2 km. Stavba IceCube začala v lednu 2005, kdy vědci vyvrtali první díru pro detektor a rozmístili první optické senzory pro observatoř.
"Digitální optické senzory, rozmístěné vloni, fungovaly celý rok bez poruch," říká Halzen. "Běží jako švýcarské hodinky. Ale velkou senzací tohoto období je výkon vrtáku."

 

 

Aby se vyřešily vrtochy při vrtání vloni a na počátkem sezóny 2005-06, byla přidána speciální vrtná věž a tým IceCube byl v letošním roce schopen do antarktického ledu vyvrtat celkem 8 hlubokých šachet a umístit do nich 8 řetězců 60 senzorů. Spojili tak již existující projekt AMANDA s IceCube, který v současné době sestávat z téměř 1300 optické senzorů.

 

 

Ačkoli novými technologiemi byly vytvořeny detektory, které mají být ve zdejších podmínkách zcela bezpečné, tak vědcům i inženýrům dělá vrásky kolísání teplot v polárních oblastech – od mínus 40°C v listopadu do mínus 30°C v únoru.

 

"Víme, že je tam ještě mnoho práce, ale není pochyb, jak významným úspěchem je instalování osmi šachet v tomto ročním období," říká Yeck, ředitel projektu IceCube.

 

Dále dodává, že nově instalované jednotky fungují a posílají signály na povrch. Vědci IceCube budou pokračovat v testech kabelového i elektronického spojení s centry během nastávající zimy na jižním pólu.

 

 

Zdroj: ScienceDaily

Datum: 08.04.2006 04:20
Tisk článku


Diskuze:

Cosi

Kdosi,2006-04-08 20:14:05

Super clanek!
Jenom detail - neni obrat "1cm2 naseho tela" trochu neohrabany? Cm3 bude fajn. Osobne myslim, ze vyzkum neutrin prinese brzy nejake breakthrough...

Odpovědět


cm2

Standa,2006-04-09 14:47:46

Hodnoty "počet neutrin, které projdou každou sekundu 1cm2 našeho těla", "počet neutrin, které projdou každou sekundu 1cm3 našeho těla" a "počet neutrin, které procházejí každým okamžikem 1cm3 našeho těla" mají odlišný fyzikální význam, a tudíž i jinou hodnotu. I když pouze první z nich má vzhledem k principu neurčitosti valný fyzikální význam.

Počet neutrin, které projdou každou sekundu 1cm2 našeho těla je zhruba 0,99999999997 hodnoty pro počet neutrin, které projdou každou sekundu 1cm3 našeho těla, a to je 299792457600× víc, než počet neutrin, které procházejí každým okamžikem 1cm3 našeho těla.

I když číselným hodnotám v článku bych moc nevěřil. Pro množství dat přenesených přes staré satelity autor uvádí hned dvě hodnoty. Po přepočtení na stejné jednotky se vzájemně liší o dva řády.

Odpovědět


Ad množství prošlých neutrin lidským tělem

Pavel Brož,2006-04-10 12:38:24

Důležité je rozlišit, o jak energetická neutrina jde. Např. nízkoenergetických reliktních neutrin, která zde zůstala ještě od velkého třesku, je v každém krychlovém milimetru kdekoliv ve vesmíru zhruba jedno - tedy i v každém krychlovém milimetru našich těl máme zhruba jedno reliktní neutrino. Tato nízkoenergetická neutrina ale v současné době neumíme moc efektivně detekovat (a ještě hezky dlouho nebudeme umět), detekují se především neutrina vysokoenergetická, která mají původ v konkrétních vysokoenergetických astrofyzikálních procesech, jako jsou výbuchy supernov, ale také třeba termojaderná syntéza ve Slunci či radioaktivní procesy v jaderných reaktorech atd.. Tam pak samozřejmě záleží na zdroji a vzdálenosti od něj (12 neutrin z výbuchu supernovy kontra desítky miliard neutrin ze Slunce). Reliktních neutrin projde lidským tělem řádově sto biliard (tj. 10 na sedmnáctou), tedy řádově milionkrát více, než těch, které mají původ v astrofyzikálních procesech odehrávajících se až dlouho po velkém třesku.

Odpovědět


Doplnění

Pavel Brož,2006-04-10 12:40:24

Samozřejmě šlo o počty za každou sekundu, tj. řádově sto biliard reliktních neutrin projde každou sekundu lidkým tělem :-)

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