První přímé pozorování oscilace mionového neutrina na tauonové  
Experimentu OPERA, umístěném v italské podzemní laboratoři v Gran Sasso, se poprvé podařilo zachytit tauonové neutrino, které vzniklo oscilací z mionového neutrina. Tato přeměna mionového neutrina proběhla během více než 700 km dlouhé cesty svazku mionových neutrin, které vznikly v laboratoři CERN ve Švýcarsku.

 

Zvětšit obrázek
Detektor OPERA v Gran Sasso (zdroj OPERA).

Když jsem zhruba před měsícem ukončoval cyklus povídání o neutrinech rozborem jejich nejzajímavější vlastnosti, kterou je oscilace jednotlivých typů neutrin, nečekal jsem, že se tak rychle k tomuto tématu budu moci vrátit s aktualitou. A okamžik pro jeho opětné připomenutí právě nastal. Mezi novými experimenty, které studují oscilace neutrin, jsem zmiňoval i spolupráci laboratoře CERN ve Švýcarsku a podzemní laboratoře Gran Sasso v Itálii, která se skrývá pod akronymem CNGS (CERN to Gran Sasso). A právě tomuto experimentu se podařilo pozorovat poprvé přeměnu mionového neutrina na tauonové vlivem oscilací.

Zvětšit obrázek
Struktura detektoru OPERA (zdroj INFN).

 

Připomeňme si, že neutrina jsou jedny z nejzáhadnějších a nejhůře zachytitelných známých částic. Prolétají bez interakce i velmi tlustými vrstvami materiálu (i rozměrů planet). Pro jejich zachycení tak potřebujeme obrovské detektory a přesto zachytíme jen málo neutrin z té miliardy miliard, které detektorem prolétají. Dnes víme, že existují tři různé typy neutrin, které jsou každé spojeno s jiným typem nabitých částic označovaných jako nabité leptony. Elektronové neutrino s elektronem, mionové s mionem a tauonové s tauonem. Ukázalo se, že jednotlivé typy neutrin se mohou vzájemně přeměňovat. Jestliže například neutrino vznikne jako elektronové, můžeme je v jisté vzdálenosti detekovat jako mionové. Pravděpodobnosti, se kterými zaznamenáme neutrino, které vzniklo jako elektronové, v podobě elektronového nebo mionového, závisí na vzdálenosti mezi zdrojem neutrin a detektorem i na energii neutrina. Existence oscilací neutrin je důkazem, že alespoň dva ze zmíněných jejich typů mají nenulovou, i když velmi nízkou, hmotnost. Zatím se dařilo pozorovat úbytek mionových neutrin - například těch, která vznikají v interakcích částic kosmického záření v atmosféře. Nebyla však přímo pozorována přeměna mionových neutrin na tauonová. To se povedlo až nyní. Než si tento výsledek popíšeme podrobněji, chtěl bych připomenout, že o vlastnostech neutrin a jevu jejich oscilací se můžete dovědět více v cyklu mých dřívějších článků o neutrinech na Oslovi (odkazy na související články jsou pod příspěvkem).

Zvětšit obrázek
Počítačová rekonstrukce vzniku a rozpadu tauonu, který vznikl v interakci tauonového neutrina s jádrem. Na obrázku je zobrazena oblast o rozměru pouze několik kubických milimetrů. Představu o rozměrové škále si můžeme udělat ze zelené úsečky vlevo, která označuje rozměr tisíc mikrometrů (zdroj OPERA).

 

K tomu, abychom mohli studovat přeměnu mionových neutrin na tauonová, musíme nejdříve vytvořit čistý svazek mionových neutrin. V případě experimentu CNGS jej vytváří urychlovač v laboratoři CERN. Protony urychlené na rychlosti blízké rychlosti světla se srážejí s jádry terče a produkuje se tak velké množství mezonů pí. Ty nabité se pomocí magnetického pole namíří správným směrem a během letu dlouhým tunelem se pak rozpadají za vzniku mionu a mionového neutrina. Zbývající nabité mezony a protony se absorbují na konci tunelu a miony pak pohltí vrstva země, kterou neutrina bez problému prolétají. Neutrinový svazek se posílá směrem k 732 km vzdálenému detektoru OPERA v podzemní laboratoři Gran Sasso v Itálii. Tam dorazí zhruba za 2,4 ms. Velmi důležité je co nejpřesnější zacílení svazku.

Zvětšit obrázek
Ukázka, jak vypadá cihla (zdroj OPERA).

 

Samotný detektor OPERA, který tam na neutrina čeká, se skládá z „cihel“, kterých je 150 000 a jsou vlastně sendvičem z olova a fotografické emulze. Celková hmotnost celé sestavy je 1250 tun. Olovo slouží jako terč pro interakci neutrina a fotografická emulze ke zviditelnění produktů této reakce. Celý systém je doplněn elektronickými detektory. Při reakcích mionových neutrin vznikají miony a při reakcích tauonových neutrin tauony. A právě detekce vzniku a rozpadu tauonu je známkou přítomností tauonového neutrina. Připomeňme si, že doba života tauonu je 0,3 ps. Pokud by takovou dobu letěl třeba i rychlostí světla, urazil by dráhu ne více než devadesát mikrometrů. Pokud tedy chceme vznik a rozpad tauonu detekovat, musíme mít detektor s velmi dobrým prostorovým rozlišením. A takovým detektorem OPERA je.


Poprvé se neutrina z laboratoře CERN do Gran Sasso začala vysílat v roce 2006, ale konstrukce detektorového systému OPERA byla úplně dokončena až v roce 2008. Jak jsem však psal v článku o oscilacích, zpočátku byla intenzita svazku mionových neutrin velmi nízká a zvyšuje se jen postupně. A v poslední květnový den tedy mohli fyzikové pracující na tomto experimentu ohlásit úspěch. Zaznamenali první tauonové neutrino. Dá se předpokládat, že v následujících měsících zaznamenají další a s růstem intenzity svazku mionových neutrin poroste i počet zaznamenaných neutrin tauonových. Přesný poměr mezi zaznamenanými mionovými a tauonovými neutriny nám přinese důležité informace o jejich oscilacích a tím i nové fyzice, do které nám tento jev umožňuje nahlédnout.

 


Video představující projekt OPERA. Kredit: CERN

 


 

Zdroje: tiskové zprávy CERN a INFN

Datum: 01.06.2010 06:57
Tisk článku

Mariko Mori - Hayward Vicky
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 1825 Kč
cena: 1533 Kč
Mariko Mori
Hayward Vicky
Související články:

Záhadné částice vylétající z antarktického ledu by mohly otřást fyzikou     Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2018)
Záhada vyřešena: Zdrojem extrémně energetických neutrin jsou blazary     Autor: Stanislav Mihulka (13.07.2018)
Agónie nové fyziky pokračuje: Observatoř IceCube nenašla sterilní neutrina     Autor: Stanislav Mihulka (10.08.2016)
Extrémní neutrino poprvé vystopováno mimo Mléčnou dráhu     Autor: Stanislav Mihulka (25.04.2016)
Nobelova cena za fyziku v roce 2015 je za prokázání oscilací neutrin     Autor: Vladimír Wagner (06.10.2015)



Diskuze:

Paola Catapano

Martin Hodan,2011-09-24 15:10:55

Pro oddych trochu off-topic.

Nepripomina vam Paola Catapano vedkyni Vittorii Vetra (hraje ji izraelka Ayelet Zurer) z filmu Andele a demoni? :))

Vetsi PR (a tim i penize do CERNu) mohlo prinest kdyz by roli Vittorie hrala sama Paola a snad by to jmeno mohli taky zmenit, aby si divaci odnesli v pameti jmeno Paola Catapano a dulezitost CERNu.

Odpovědět

Odpovědi na otázky v diskuzi

Vladimír Wagner,2010-06-01 11:18:59

Robert T má plnou pravdu, že se doba života tauonu v případě jeho pohybu rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla prodlouží. Pokud se však podíváme na náš případ, tak je hodně podstatné, že klidová energie tauonu je 1777 MeV. Je tedy téměř dvakrát hmotnější než proton. Energie neutrin, v jejichž reakcích vzniká, musí být tedy větší. A celková energie tauonu tak nebude překračovat jednotky násobku jeho klidové energie (je to dáno energií, kterou mají protony CERNského urychlovače a tedy i mezony vznikající v jejich srážkách a produkovaná neutrina). To je i faktor, kterým se prodlužuje i doba života tauonu a dráha, kterou uletí. Údaj, který je v článku tak dává dobrou řádovou představu o délce jeho dráhy. Klidová hmotnost tauonů je i jádrem odpovědi na otázku Petra Hapy. Tauon může vzniknout jen v reakcích tauonového neutrina s energií větší než zmíněných 1777 MeV. Hustota takových neutrin přicházejících z vesmíru (elektronových, mionových i tauonových) je velmi nízká. Takže opravdu je hustota svazku neutrin z urychlovače v této oblasti energií natolik vyšší, že pozadí ze všech ostatních zdrojů je zanedbatelné. A i detekce pouze jednotlivých tauonových neutrin je signifikantní. Počet těch detekcí taunových neutrin je tak malý právě i proto, že vidíme pouze ty s hodně vysokou energií.

Odpovědět


Jen upřesnění :-)

Vladimír Wagner,2010-06-01 11:24:14

Výrokem "doba života tauonu se v případě jeho pohybu rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla prodlouží" se míní doba života pozorovaná z laboratoře, vůči které se tauon zmíněnou rychlostí pohybuje.

Odpovědět

pouze 15 neutrin?

Petr Hapa,2010-06-01 10:30:21

Docela mě zaráží, že předpokladají detekci pohých 15 tauonovych neutrin za celou dobu provozu detektoru. Chápu, že pravděpodobnost srážky je malá a že pouze část neutrin se přemění, ale už nechápu, že takto malý počet detekovaných neutrin dokáže o něčem ze statistického hlediska vypovídat. Jak jsou schopní určit, že zdrojem je právě urychlovač v CERN? Je proud částic z vesmíru (v daném směru) o tolik nižší, že je nepravděpodobné jejich zachycení v detaktoru?

Odpovědět

otázka

Robert T,2010-06-01 10:01:16

"...že doba života tauonu je 0,3 ps. Pokud by takovou dobu letěl třeba i rychlostí světla, urazil by dráhu ne více než devadesát mikrometrů..." Pokiaľ by letel rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla (a to asi letí), potom by sa jeho doba života z pozície pozorovateľa výrazne predĺžila. Alebo sa mýlim?

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