Tímto článkem bych chtěl zahájit cyklus příspěvků o jednom z nejpodivuhodnějších obyvatelů částicové ZOO. Neutrina patří k částicím, jejichž objev a zkoumání měly mimořádný dopad na vývoj našeho poznání struktury hmoty a fundamentálních zákonitostí světa. Zároveň jsou to částice, které mají extrémně malou klidovou hmotnost, i když ne nulovou, a s ostatními částicemi téměř neinteragují. Postavit pasti, které by tak odchytily tyto téměř nepolapitelné poutníky, pohybující se téměř rychlostí světla, je velmi náročné a zařízení pro jejich detekci často ohromují svou velikostí. Právě exotičnost jejich chování a atraktivnost atmosféry tajemnosti okolo nich je asi důvodem, proč v novém katastrofickém filmu 2012 stojí v pozadí zkázy Země právě neutrina ze Slunce. „Uvaření“ nitra Země, jak je zobrazeno v tomto filmu, neutrina způsobit nemohou, i tak však stojí za to se jim intenzivně věnovat. Ale začněme od začátku.

Zvětšit obrázek

Ve filmu 2012 neutrina intenzivně ohřejí zemské nitro a dojde ke katastrofickým geologickým procesům (zdroj Falcon.cz).

Historie objevu a zkoumání neutrin

Objev neutrina je nedílně spojen se zkoumáním rozpadu beta a zákony zachování, které se u něj uplatňují. Do fyziky je uvedl v roce 1931 Wolfgang Pauli, rakouský teoretický fyzik, který se podílel na vytváření základů kvantové fyziky. V té době se řešilo několik záhad, které se objevovaly v průběhu rozpadu beta. Připomenu, že při nejběžnějším typu rozpadu beta dojde k přeměně neutronu v jádře na proton a vyzáření elektronu. Jako příklad takového děje může sloužit i rozpad neutronu, při kterém vzniká proton a elektron. Pokud by opravdu vznikaly jen tyto dvě částice, rozdělila by se mezi nimi energie uvolněná v rozpadu v přesně daném poměru. Neutron je totiž před rozpadem v klidu a jeho hybnost je nulová. Ze zákona zachování hybnosti tak platí, že celková hybnost po rozpadu musí být zase nulová. Pokud tak při rozpadu vzniknou pouze dvě částice, musí letět v opačném směru a velikost hybnosti obou musí být stejná. Elektron má tak jednu přesně danou hodnotu energie. Ovšem v experimentech se pozorovalo, že elektrony v rozpadu neutronů nabývají hodnoty energie ve velmi širokém rozmezí. Od velmi malých až po maximální. A právě jen ta maximální byla tou hodnotou, která se pro ni předpovídala. Stejná situace nastávala nejen u rozpadu neutronu, ale i u dalších rozpadů beta. V těchto případech také někam mizela energie i hybnost a narušoval se tak zákon zachování energie i zákon zachování hybnosti.

A nezůstalo jen u těchto zákonů zachování. Ukázalo se, že zmíněné rozpady porušují i zákona zachování momentu hybnosti. Moment hybnosti v mikrosvětě je kvantovaný a jeho velikost může nabývat pouze hodnoty, které jsou celočíselnými nebo poločíselnými násobky Planckovy konstanty. Dále tak budeme mluvit o poločíselných a celočíselných hodnotách momentu hybnosti. V kvantovém světě se vyskytuje vnitřní moment hybnosti částice, užíváme pro něj označení spin, a orbitální moment hybnosti daný relativním pohybem částic v prostoru. Ten první může nabývat jak poločíselných tak i celočíselných hodnot. Orbitální moment hybnosti pak jen hodnot celočíselných. Elektrony mají spin 1/2. Pokud by tedy při rozpadu beta vznikal pouze elektron, musel by se spin jádra měnit o hodnotu danou spinem elektronu, tedy poločíselnou a nejčastěji 1/2 (unášený orbitální moment je nulový). Ovšem v měřeních se ukázalo, že změna spinu je celočíselná a nejčastěji jde o hodnotu nula nebo jedna. Vypadalo to, že někde mizí kvantum momentu hybnosti s hodnotou 1/2, které se vektorově sečte se spinem elektronu (tedy dostaneme buď nulu, nebo jedničku).

V té době fyzikové byli pouze na prahu zkoumání mikrosvěta. Nevylučovali proto i možnost, že v mikrosvětě dochází k nějaké modifikaci zmíněných zákonů zachování. Ovšem porušení všech tří tak fundamentálních a až do té doby perfektně prověřených zákonů zachování byla přece jen značně silná káva. A byl to také důvod, proč v roce 1930 navrhl Wolfgang Pauli existenci nové neutrální částice, která téměř neinteraguje s hmotou. Nemohla být nabitá, protože by jinak interagovala elektromagneticky s ostatní hmotou a nebyla by tak nepolapitelná. Její spin musel být ½, stejně jako spin elektronu, aby platil zákon zachování momentu hybnosti. Odnášela by sebou část energie a hybnosti, takže by zabezpečila splnění zákonu zachování těchto veličin. Zároveň musela být klidová hmotnost částice velice malá, možná i nulová, protože elektrony s maximální energií měly energii velice blízkou maximální možné, takže pro klidovou energii neutrina už téměř žádná nezbývala. Energie dostupná pro produkci klidové hmotnosti neutrina tak byla velmi malá. 

Zvětšit obrázek

Fred Reines a Clyde Cowan v kontrolní místnosti hanfordského experimentu v roce 1953 (Kredit: Kalifornská universita/ Denis Silverman)

Experimentální potvrzení existence neutrina

Existenci neutrina se podařilo prokázat až v roce 1956. V padesátých letech se totiž začaly konstruovat jaderné reaktory, které jsou velmi intenzivními zdroji neutrin. V roce 1951 se Fred Reines z Los Alamos ve spolupráci s Clydem Cowanem rozhodli neutrino ulovit. Nejdříve sice uvažovali o detekci neutrin vznikajících při výbuchu jaderné bomby. Pak však uvážili, že mnohem vhodnějším zdrojem neutrin jsou reaktory. V roce 1953 se tak pustili do experimentování na reaktoru v Hanfordu. Tam však bylo velmi vysoké pozadí od kosmického záření. Kosmické miony, které se dostanou až na povrch, tak překryly každé signály od reaktorových neutrin. Takže nepozorovali rozdíl mezi situací, kdy reaktor pracoval a kdy byla řetězová štěpná reakce zastavena. V roce 1955 se tak přesunuli na nový reaktor v Savannah River. Tam experiment umístili do velmi dobře stíněné místnosti, která byla jedenáct metrů od centra reaktoru a dvanáct metrů pod zemí. Neutrino, respektive antineutrino, detekovali díky jeho reakci s protonem za vzniku neutronu a pozitronu. Pozitron byl zaznamenán pomocí své anihilace s elektronem, při které se produkují dva fotony záření gama s přesně danou energií (je rovná klidové energii elektronu). Přítomnost neutronu byla identifikována pomocí jeho záchytu kadmiem, který nastal zhruba několik mikrosekund po anihilaci pozitronu a při němž se uvolňuje několik fotonů gama. Detektor měl dvě nádrže s dvěma sty litry vody, ve které bylo rozpuštěno 40 kg chloridu kademnatého. Přestože byla hustota toku neutrin produkovaná reaktorem řádově 10¹³ neutrin na čtverečný centimetr za sekundu, detektorový systém zachytil za hodinu jen tři neutrina. I to ukazuje na extrémní problémy při lapání této částice.

Zákony zachování zachráněny

Důkazem existence neutrina se podařilo potvrdit platnost zákonů zachování energie, hybnost a momentu hybnosti i v rozpadu beta. Ovšem o svůj punc bořitele zákonů zachování rozpad beta nepřišel natrvalo. Později se právě u tohoto procesu podařilo prokázat narušení zákonu zachování parity (zrcadlové symetrie) v mikrosvětě u procesů spojených se slabou interakcí. A právě neutrina narušují zrcadlovou symetrii stoprocentně. Ale podrobné povídání o podstatě tohoto jevu a historii jeho objevu jsem už pro Osla napsal. Zákony zachování a symetrie patří k fundamentům našeho poznávání podstaty přírodních zákonitostí. Ve svých příspěvcích se snažím vysvětlovat alespoň některé jejich aspekty, i když značně neumělým způsobem, úměrným mým schopnostem. Proto bych si dovolil poukázat na mistra v tomto oboru. Všem alespoň trochu znalým anglického jazyka doporučuji se podívat na sérii sedmi přednášek Richarda Feynmana o podstatě fyzikálních zákonů, kterou v roce 1964 přednesl na Cornellově universitě pro velmi široké nefyzikální studentské publikum. Jedná se o jeden z nejbrilantnějších cyklů přednášek, které jsem na toto téma slyšel. Richard Feynman nádherným způsobem, srozumitelně i naprostým laikům, objasňuje právě třeba i podstatu a smysl zákonů zachování a symetrií s nimi spojených. A fantastickým zážitkem jsou tyto přednášky i pro odborníka, neboť Feynmanovy přednášky jsou brilantním koncertem. Ani těch čtyřicet let, které od jejich přednesení uplynuly, jim neubralo na aktuálnosti a přínosu pro posluchače. A byl to velice užitečný počin od Bila Gatese, že od BBC, která přednášky natočila, koupil práva na ně a zajistil k nim volný přístup. Takže pro všechny, kteří se chtějí zamyslet nad podstatou fyzikálních zákonů a fyziky doporučuji stránky projektu Tuva. Já osobně se k těmto opravdu inspirujícím přednáškám moc rád vracím.

Zvětšit obrázek

Rozpad beta tritia, při kterém vzniká izotop 3He, elektron a antineutrino (stránky experimentu KATRIN)

Základní vlastnosti neutrin

Vraťme se však k našim neutrinům. Víme tedy, že se jedná o částici, která nemá elektrický náboj, její spin je 1/2, její klidová hmotnost je velmi malá a s ostatními částicemi interaguje pouze slabou interakcí a tedy extrémně slabě. Jejich pravděpodobnost reakce je taková, že mohou bez interakce proletět i blokem pevné látky o tloušťce v jednotkách světelných let. Později se prokázalo, že v rozpadu beta, při kterém pozorujeme vznik elektronu, vzniká vlastně antineutrino. Stejně jako má elektron svůj protějšek ve světě antičástic - pozitron, existuje i dvojice neutrino a antineutrino.

Brzy se také ukázalo, že k vysvětlení rozpadu mionu bude třeba další typ neutrina a antineutrina. Původní se tak teď označuje jako elektronové neutrino a nový typ jako neutrino mionové. Záporně nabitý mion se rozpadá na elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino, kladně nabitý mion pak na pozitron, elektronové neutrino a mionové antineutrino. Existenci mionového neutrina se podařilo prokázat v roce 1962. Leon Lederman, Melvin Schwartz and Jack Steinberger využili nový urychlovač AGS, který produkoval svazek protonů s vysokou energií. V srážkách protonů s jádry se produkoval svazek mezonů pí. Ty se rozpadaly na miony a mionová neutrina. Těmto částicím postavili zmínění fyzikové do cesty tlusté železné pláty z vyřazených válečných plavidel. Ty pohltily všechny miony a prošly přes ně pouze neutrina. Za stěnou z železných plátů byl detektor, který zaznamenal mionová neutrina pomocí mionů, které neutrina produkovala v hliníkovém terči umístěném před ním. Tedy neprodukovaly se elektrony, jak by tomu bylo, kdyby se jednalo o elektronová neutrina. Je ještě záhodno poznamenat, že se v tomto případě jednalo o vytvoření prvního intenzivního svazku neutrin.

V roce 1975 pak byla objevena třetí ještě mnohem těžší obdoba elektronu a mionu, která byla pojmenována jako tauon. A při rozpadu tauonu na mion pak musel vznikat kromě mionového antineutrina i nový typ neutrina – neutrino tauonové. Detekovat se jej poprvé podařilo v americké laboratoři Fermilab experimentu DONUT. Tau neutrina byla identifikována díky produkci tauonu při jejich srážkách s jádry.

Dnes víme, že existují právě tři různé typy neutrin a antineutrin – elektronové, mionové a tauonové. Dozvěděli jsme se to díky velmi přesnému měření poločasu rozpadu velmi těžké částice, která se označuje jako Z boson a je jednou ze tří, které zprostředkovávají právě slabou interakci. Tato částice se může rozpadat i za vzniku dvojici částic, z níž jedna je neutrino a druhá antineutrino stejného typu. Tedy máme tolik kanálu takového rozpadu, kolik máme typů neutrin. Čím je více takových možností rozpadu, tím je kratší doba života Z bosonu. A přesná měření této doby života ukazují, že existují opravdu jen tři typy neutrin.

Neutrina se spolu s elektronem, mionem a tauonem řadí mezi leptony, jak označujeme částice, které neinteragují silnou interakcí. Víme tak, že existují tři nabité a tři neutrální leptony, které se váží do tří rodin (dvojic z nabitého a neutrálního leptonu). Ke každé rodině leptonů existuje i rodina (dvojice) kvarků. Ale to už se dostáváme za rámec našeho tématu. Pokud jste se již mezi různými částicemi ztratili a potřebujete po přečtení předchozích odstavců pomoc při orientaci v jejich zoologii, naleznete ji na Oslovi v tomto článku.

Důležitou vlastností neutrin, která úzce souvisí se zrcadlovou symetrií je tzv. helicita. Jak jsme už zmiňovali, má neutrino vnitřní moment hybnosti - spin. Zároveň má určitou hybnost. Vektor hybnosti může být orientován buď ve směru, nebo proti směru orientace vektoru spinu. Můžeme si to představit jako rozdíl mezi levotočivým a pravotočivým šroubem. V principu tak můžeme mít levotočivá nebo pravotočivá neutrina. Ovšem v přírodě se vyskytují pouze levotočivá neutrina a pravotočivá antineutrina. To je právě díky již zmíněnému narušení zrcadlové symetrie v našem mikrosvětě a zákona zachování parity. Podstatu toho jevu jsem už na Oslovi podrobně popisoval.  

Již v roce 1957 Bruno Pontecorvo přišel s hypotézou, že jednotlivé typy neutrin by mohly přecházet na jiné. Ovšem experimentální evidence takové vlastnosti, která se označuje jako oscilace neutrin, se ukázala poprvé až v souvislosti s pozorováním neutrin, které k nám přicházejí ze Slunce. Oscilace existují jen díky kvantové fyzice a blíže se jí budeme podrobně věnovat v následující část cyklu. Oscilace neutrin je možná jedině v případě, že alespoň některé z nich mají nenulovou klidovou hmotnost. A proto se v té dnešní části na závěr zaměříme na určování hmotností neutrin.

Zvětšit obrázek

Elektronový spektrometr v ruském Troicku (zdroj Troick).

Jak se měří hmotnosti neutrin

Brzy po navržení existence neutrina Paulim bylo jasné, že hmotnost neutrin je velmi malá. Dokonce se dlouho předpokládalo, že jejich klidová hmotnost je nulová. Přesto byla již od počátku snaha o přímé určení případné hmotnosti nebo o stanovení co nejnižší limity na tuto hmotnost. Přímé vážení neutrin není možné, takže se musí použít metody nepřímé. Jde zase o využití zákona zachování energie a její chybějící části. 

Jako nejlepší možnost pro určení hmotnosti elektronového neutrina se jeví měření koncové části energetického spektra elektronů, které vyletují při rozpadu beta radioaktivního jádra. Tedy zjišťování počtu elektronů v závislosti na jejich energii pro tu část z nich, která má energie velmi blízké energii rozpadu, tedy nejvyšší možné. Pokud má neutrino klidovou hmotnost, musí se na jeho vytvoření využít část energie uvolněná rozpadem. Vztah mezi touto energií je dán proslulým Einsteinovým vztahem. Proto můžeme z tvaru koncové části elektronového spektra určit hmotnost neutrina. Problémem je, že hmotnost neutrina je velmi malá a tím je extrémně malý i jeho vliv na spektrum elektronů. Nejvíce se projeví v případě co nejmenší hodnoty energie rozpadu. Velmi vhodný je tak pro určení hmotnosti neutrina rozpad tritia. Energie rozpadu tritia je totiž relativně velmi nízká 18,591 keV, což je téměř třicetkrát menší energie než je klidová energie elektronů. Vhodný je i poločas rozpadu okolo dvanácti let. Menší energii rozpadu beta s vyzářením elektronu má pouze izotope ¹⁸⁷Re (ta je 2,5 keV). Toto rhenium má však velmi dlouhý poločas rozpadu, přes čtyřicet miliard let.

První podobná měření s využitím rozpadu tritia byla provedena nezávisle dvěma experimenty v roce 1949, tedy ještě před prokázáním existence neutrina, s využitím plynného tritia. Tehdy bylo zjištěno, že hmotnost neutrina je menší než 1 keV a postupným vylepšováním experimentů se k dnešním dnům dospělo k hodnotě limity pětsetkrát nižší. Rekord v současnosti drží dva experimenty. Jeden proběhl v německém Mainzu a druhý v ruském Troicku. Hodnota této limity je o něco málo vyšší než 2 eV. Spektrometry v Mainzu a Troicku už měly úctyhodné rozměry, i když pořád ještě ne extrémně.

Elektronový spektrometr v Mainzu, který drží spolu se spektrometrem v ruském
Troicku současný rekord v přesnosti měření hmotnosti neutrina (zdroj Mainz).

Experiment KATRIN

Abychom hmotnost elektronového neutrina konečně určili nebo alespoň o řád snížili horní limitu pro tuto hmotnost, staví se nový, ještě daleko větší spektrometr elektronů KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment). Ten bude mít délku 23 m a 10 m v průměru. Vakuová komora spektrometru KATRIN byla tak velká, že se vyráběla v loděnicích. I když bylo Karlsruhe, kde se spektrometr buduje, jen pár stovek kilometrů od výrobního závodu komory v Deggendorfu, musela se loděmi dopravovat okružní cestou dlouhou 8800 km okolo celé Evropy. Podrobnější vyprávění o cestě, kterou musela komora absolvovat, než se dostala na své konečné místo ve Výzkumném centru v Karlsruhe, si můžete přečíst v článku v Neviditelném psovi. 

Zvětšit obrázek

Konečná fáze přepravy vakuové komory hlavního spektrometru experimentu KATRIN (zdroj KATRIN).

Budovaný spektrometr funguje jako elektrostatický spektrometr elektronů. Základním principem je, že se do cesty elektronům dá elektrické pole. Přiložené napětí se postupně zvyšuje v přesně daných krocích a stále intenzivněji brzdí elektrony produkované v rozpadu tritia. Do detektorů elektronů se tak dostávají pouze elektrony, které mají dostatek energie, aby toto napětí překonaly. Postupně tak máme stále méně elektronů, které dorazí až do detektoru. Získáme tak energetické spektrum elektronu z rozpadu tritia s tou nejvyšší energií. Těch je jen nepatrný zlomek, takže je třeba zajistit, aby obrovské množství elektronů s nižší energií bylo zastaveno a odseparováno a nezatoulaly se nám nějakým způsobem až k detektoru. To ulehčuje i pomocný spektrometr o délce 3,4 m a průměru 1,7 m, který bude před hlavním velkým spektrometrem a pomůže oddělit část elektronů s nízkými energiemi. Za ním už zůstane a poletí do hlavního spektrometru jen deseti miliontina původního počtu elektronů a to jen ty s nejvyššími energiemi. Tento „pre-spektrometr“ dostal jméno KATRINKA. V současnosti je už také v Karlsruhe a probíhá jeho intenzivní testování.

Zvětšit obrázek

Pre-spektrometr experimentu KATRIN má jméno KATRINKA (zdroj české stránky experimentu KATRIN).

Pro dostatečnou přesnost určování energie elektronů je potřeba brzdící elektrické napětí nastavit přímo s fantastickou přesností. Experiment poběží s přestávkami pět let, tedy zhruba tisíc dnů čistého měřícího času. A po celou tu dobu musí být napětí v řádu desítky tisíc voltů definováno s přesností tří miliontin měřené hodnoty. To nelze zajistit jinak, než že budeme paralelně měřit elektrony z radioaktivního zdroje, které mají přesně definovanou a známou energii. Bohužel, zatím jsou takové vhodné kalibrační radioaktivní zdroje určeny s přesností desetkrát horší, než je potřebná. Česká skupina z ÚJF AVČR je tak zodpovědná za nalezení vhodného radioizotopu, vytvoření vhodného kalibračního zdroje a monitorování elektrického napětí spektrometru s dostatečně vysokou přesností. Využívá k tomu vlastní, daleko menší elektronový spektrometr, který má vysoké energetické rozlišení a umožňuje velice přesně testovat dlouhodobou stabilitu navrhovaných řešení. K práci na budování spektrometru KATRIN se tak dostanou i čeští studenti z MFF UK a FJFI ČVUT v Praze.

Hlavním důvodem, proč se spektrometr buduje v Karlsruhe, je, že se tam intenzivně pracuje s tritiem a mají se zacházením s ním dlouholeté zkušenosti. Velmi náročnou součástí experimentu je totiž plynný tritiový terč, ve kterém bude docházet ke zkoumanému rozpadu beta. Důvodem použití plynného terče je zamezení ztrátám energie elektronů v případě vázání tritia v pevném terči. I tak je však boj i s různými i velmi malými ztrátami energie elektronů mimořádně náročnou a piplavou prací. Experiment chce dosáhnout fantastické přesnosti „vážení neutrina“, proto se musí fyzikové, kteří na něm pracují, obrnit i nekonečnou trpělivostí a prokázat i fantastickou pečlivost ve své práci.

Zvětšit obrázek

Úprava a instalace vakuové komory hlavní části spektrometru KATRIN pokračuje (zdroj KATRIN).

Určování horní hmotnosti pro hmotnost mionového a tauonového neutrina

Také přímá určení hmotnosti mionového a tauonového neutrina jsou založena na zákonech zachování energie a hybnosti v rozpadech. Výhodné je využití rozpadů na dvě částice, z nichž jedna je nabitá a druhá „vážené“ neutrino. Například rozpad nabitého mezonu pí na mion a mionové neutrino. Přičemž se pí mezon před rozpadem zastaví. Měření hybností mionu s co největší přesností a statistikou je však problém. Zatím tak je limita na hmotnost mionového neutrina 170 keV a tauonového neutrina 15,5 MeV. Ovšem z oscilací neutrin víme, že jejich hmotnosti jsou menší než elektronvolt. Tedy o mnoho řádů nižší než takto přímo určované horní meze pro hmotnost. Ale o výsledcích získaných pomocí oscilací až příště.

Kde se všude s neutrinem setkáte a o čem budeme uvažovat příště

Jak už bylo zmíněno, jsou neutrina ve velkém počtu produkována ve Slunci. Zachycena už byla i první neutrina vzniklá při výbuchu supernovy. Celý prostor je prostoupen reliktními neutriny, které pocházejí z těch nejrannějších fází vývoje našeho vesmíru. Tato neutrina mají extrémně malou energii. Naopak neutrina s extrémně vysokými energiemi k nám přilétají z dálav vesmíru s vysokoenergetickým kosmickým zářením. Všechna tato neutrina by nám mohla poskytnout velmi důležité informace o našem blízkém i velmi vzdáleném (a to i časově) vesmírném okolí. Neutrina jsou produkována i při rozpadu radioaktivních prvků v různých vrstvách Zeměkoule. Tato geoneutrina by nám mohla ledacos říci o stavbě Země.

Umělé zdroje neutrin jsou jaderné reaktory i urychlovače, které dokáží produkovat svazky všech tří typů neutrin i antineutrin. A spolu s řadou velice sofistikovaných a velkých detektorů nám přinášejí řadu možností pro studium těchto „velmi plachých“ obyvatel světa částic. Všechna zmíněná zajímavá témata si podrobněji rozebereme v následujících částech tohoto cyklu. Příští díl se bude věnovat oscilacím neutrin, které pozorujeme u slunečních neutrin, neutrin ze sekundárního kosmického záření, reaktorových neutrin i neutrin produkovaných pomocí urychlovačů. Povíme si v čem jev oscilací neutrin spočívá a co zajímavého se díky němu můžeme dozvědět. 

Tento článek věnuji svým kolegům Otokaru Dragounovi a Drahoslavu Vénosovi, kteří jsou duší české účasti v projektu KATRIN a určitě by tento článek napsali lépe a fundovaněji. Moc jim děkuji za spoustu velice zajímavých diskuzí nejen o neutrinech, ale o celé řadě jiných fyzikálních témat. Pro zájemce lze nalézt odkazy na články a rozhovory Otokora Dragouna věnované neutrinům a českém podílu na jejich zkoumání na stránkách české účasti na projektu KATRIN.