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