Zvětšit obrázek

Jaderná elektrárna Daya Bay je intenzivním zdrojem elektronových antineutrin, který lze využít k oscilačním měřením (zdroj stránky experimentu Daya Bay).

V článku o vývoji v jaderné energetice jsme v minulém roce psali o spuštění druhého bloku jaderné elektrárny Ling Ao II. První její blok byl uveden do provozu v roce 2010. Oba jsou typu CR-1000 a mají elektrický výkon 1000 MW. Nedaleko je starší elektrárna Ling Ao se dvěma bloky, každý z nich má elektrický výkon 938 MW. Poblíž je i Daya Bay se dvěma bloky s elektrickým výkonem 900 MW. Tepelný výkon všech těchto šesti reaktorů překračuje 3000 MW a všechny jsou velmi intenzivním zdrojem elektronových antineutrin.

Produkce a detekce elektronových antineutrin

Stabilní těžká jádra mají větší poměr mezi počtem neutronů a protonů než ty stabilní středně těžká. Jádra, která při štěpení vzniknou, tak mají velký přebytek neutronů a při přeměně na stabilní se pomocí rozpadu beta několik neutronů v nich změní na protony. Přitom se kromě elektronů vyzáří i antineutrina. Na každé štěpení jich tak připadne zhruba šest. Celkově tyto reaktory produkují řádově triliardy (10²¹) antineutrin za sekundu. Jejich převážná většina však má relativně nízké energie. S růstem energie počet antineutrin rychle klesá.

Různé způsoby detekce neutrin jsou podrobně popsány zde. V případě experimentu Daya Bay se využívá tzv. obráceného beta rozpadu, při kterém proton zachytí elektronové antineutrino, přemění se na neutron a zároveň vznikne pozitron. K tomu je potřeba energie nejméně 1,8 MeV (připomeňme, že klidová energie spojená s klidovou hmotností elektronu i pozitronu je 0,51 MeV). Většina energie se předá pozitronu a jeho energie tak umožňuje přesně určit energii antineutrina. Pravděpodobnost reakce antineutrina s protonem roste s energií od velmi malé hodnoty pro nízkou energii blízkou zmíněnému prahu reakce. Průběh její závislosti na energii spolu s průběhem spektra antineutrin produkovaných v reaktorech vytváří spektrum detekovaných antineutrin s maximem u energie zhruba 4 MeV (jak je vidět na obrázku).

Zvětšit obrázek

Závislost množství neutrin (spektrum) vyzářených z reaktorů – červená čára s označením „Flux“, závislost pravděpodobnosti reakce neutrina v detektoru – zelená čára s označením „Cross Sections“ a vzniklé spektrum pozorovaných neutrin – modrá křivka označená jako „Observable "ný" Spectrum“. Jde o relativní jednotky a spektrum pozorovaných neutrin je zvětšeno.

Potvrzením, že detekovaný signál patří zachycení antineutrina, je detekce neutronu. Při ní se využívá gadolinium, které má extrémně velkou pravděpodobnost záchytu termálního neutronu s velmi nízkou kinetickou energií. Při tom se vyzáří gama foton s charakteristickou energií 8 MeV. Další možností je záchyt neutronu protonem za vzniku deuteronu. V tom případě je vyzářen foton s energií 2,2 MeV. Aby se neutron, který má při svém vzniku energii mezi 10 až 40 keV, lehce gadoliniem nebo protonem zachytil, musí se jeho energie moderací srážkami s lehkými jádry snížit na velmi nízké termální energie.

Detekce tak probíhá pomocí velkého detektoru vyplněného kapalným scintilátorem s přidaným gadoliniem. Pro detekci gama a pozitronů slouží scintilátor, neutrony umožňuje zachytit příměs gadolinia. Jde vlastně o obrovský barel naplněný kapalinou, kterou z bočních stěn monitoruje 192 fotonásobičů, jež zachycují světlo způsobené průchodem nabitých částic kapalným scintilátorem.

Dvojice (v blízké vzdálenosti od elektrárny) či čtveřice (ve větší vzdálenosti) barelů je umístěna ve velkém bazénu s vodou pro ochranu proti pozadí. Jen pro doplnění je třeba říci, že čtvrtý detektor ze vzdálenější čtveřice bude teprve dodán. Chybí také jeden detektor v druhé dvojici blízkých barelů.
Další ochranou je systém detektorů, které pokrývají shora bazén s barely a detekují miony vzniklé interakcí kosmického záření v atmosféře. Jedná se jednak o komory a pak o vrstvu vodních čerenkovských detektorů. Celý detekční systém musí být zároveň umístěn pod zemí, proto je v tunelu hluboko v horském masivu.

Zvětšit obrázek

Dvojice bližších neutrinových detektorů v bazénu (zdroj prezentace Yifang Wanga).

Oscilace neutrin

Jednou ze specifických vlastností kvantové fyziky je to, že často nejsou existující stavy, které pozorujeme, stavy čistými, ale směsí jiných stavů. To platí i pro neutrina. Stavy, které pozorujeme (tedy elektronové, mionové a tauonové neutrino) jsou vlastně směsí jiných tří stavů, které se označují jako 1, 2 a 3. Tato vlastnost způsobuje, že neutrina, která byla vyprodukována jako neutrina jednoho typu (třeba jako elektronová) mohou být jinde pozorována jako neutrina jiného typu (buď mionová nebo tauonová). Můžeme tak pozorovat přeměnu jednoho typu neutrina na jiný, tedy něco, co se označuje jako oscilace neutrin. Takové míchání a oscilace jsou možné pouze v případě, že různé stavy neutrin mají různou hmotnost. A tak první pozorování oscilací bylo i důkazem, že alespoň některé typy neutrin mají nenulovou klidovou hmotnost. Měření oscilací také umožňuje určit rozdíly kvadrátů hmotnosti jednotlivých typů neutrin. Podrobný článek o oscilacích neutrin je zde.

Zde pozorovaná neutrina nejsou čistými stavy, ale směsí stavů 1, 2 a 3. Velikost míchání popisují tři směšovací úhly. Dva z nich jsou relativně velké a intenzita míchání blízkých stavů je velká. Proto už byly tyto dva druhy oscilací pozorovány a úhly určeny. Třetí, mezi vzdálenějšími stavy, je malý a oscilace, které způsobuje, se pozorovaly teprve nyní experimentem Daya Bay.

Zvětšit obrázek

Detektory, které identifikují miony z kosmického záření a umožňují potlačit pozadí. (Zdroj prezentace Yifang Wanga)

Velikost a průběh oscilací také závisí na velikosti míchání mezi jednotlivými čistými stavy a jsou popsány tzv. směšovacími úhly. Tyto úhly jsou tři (Ɵ₁₂, Ɵ₂₃ a Ɵ₁₃) a popisují míchání mezi dvěma stavy. To je mezi stavy 1 a 2 nebo 2 a 3 velmi intenzivní a příslušné úhly jsou velké (velké jsou pak i kvadráty sinů těchto úhlů, které popisují intenzitu míchání). Tyto úhly charakterizují oscilace mezi elektronovými neutriny a mionovými, případně pak mezi mionovými a tauonovými. Tento jev byl pozorován v řadě experimentů. První pozorování oscilací se podařilo pozorovat na úbytku elektronových neutrin vyletujících ze Slunce, což umožnilo určit úhel Ɵ₁₂. Je třeba připomenout, že průběh oscilací závisí na energii neutrina a velikost pro danou energii na vzdálenosti detektoru od zdroje. V daném případě šlo o nízkoenergetická neutrina a oscilace ve velké vzdálenosti. Pozdější pozorování dokonalejšími detektory slunečních neutrin umožnila detekovat i vzniklá neutrina jiného typu. Zároveň se stejný efekt přeměny pozoroval jako úbytek elektronových antineutrin produkovaných japonskými reaktory ve velkých vzdálenostech řádově stovky kilometrů detektorem Kamland, viz zmíněný článek o oscilacích.

Oscilace mionových neutrin s vysokými energiemi na vzdálenosti řádově stovky kilometrů se podařilo pozorovat na úbytku mionových neutrin vznikajících při interakci kosmického záření v atmosféře. Zjišťovalo se také, jaký je úbytek mionových neutrin produkovaných a vysílaných urychlovačem do detektorů vzdálených stovky kilometrů. V tomto případě se však podařilo detekovat vznikající tauonová neutrina, viz zde.

Zvětšit obrázek

Mapka lokality experimentu Daya Bay: Elektrárny Daya Bay, Ling Ao a Ling Ao II. Polohy dvou detekčních systémů blízkých k elektrárnám (dvojice) a jednoho detekčního systému vzdáleného dva kilometry od elektrárny (čtveřice detektorů). (Zdroj experiment Daya Bay)

Míchání stavů lze popsat pomocí matice, která je podobná té, jež popisuje míchání kvarků označované jako CKM matice - Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (viz zde). Kromě tří zmíněných úhlů vystupuje v neutrinové matici i fáze delta, která souvisí s narušením CP a T symetrie. Jedná se o symetrii nábojovou C, která platí v případě, že se fyzikální zákonitosti nemění při záměně částic za antičástice a opačně. Symetrie P je zrcadlová, která platí, když zrcadlový svět je stejný jako ten náš. Symetrie T platí v případě, že při změně směru toku času se nezmění fyzikální zákonitosti. Význam a podstata těchto symetrií je popsána v článku o tom, jak mimozemské civilizaci sdělit, která ruka je levá a že nejsme z antihmoty. Pokud by se podařilo změřit hodnotu úhlu Ɵ₁₃, bude otevřena cesta k určení fáze delta a narušení zmíněných symetrií u procesů s neutriny.

Zvětšit obrázek

Průběh detekce elektronových neutrin v detektorech EH1 a EH2 (blízkých) a vzdálených EH3. Jsou zde vyznačeny časy, kdy se spouštěly nebo naopak vypínaly jednotlivé reaktory (zdroj arxiv.org)

Oscilace měřené experimentem Daya Bay

Hlavním úkolem experimentu Daya Bay je změřit velikost oscilací elektronových antineutrin na krátké vzdálenosti a určit tak třetí směšovací úhel, jehož hodnota zatím není známá. Proto jsou detektory umístěny ve vzdálenosti necelých dvou kilometrů, kde má ležet první oscilační minimum pro energii, se kterou je detekována největší část elektronových antineutrin. Na rozdíl od jiných experimentů, které se snažily změřit tyto oscilace dříve, má Daya Bay umístěny stejné detektory v blízkosti elektráren i ve dvoukilometrové vzdálenosti. To umožňuje získat hodnoty toku elektronových antineutrin z reaktorů ještě před tím, než poklesnou vlivem oscilací. Údaje ve vzdálenosti dvou kilometrů od elektrárny se pak srovnávají s hodnotami u elektráren. Jde tak o relativní srovnání, v němž se vyruší řada nejistot v měřeních. Ty představovaly hlavní problém předchozích experimentů, kde se spoléhalo na výpočty produkce antineutrin z reaktoru. I proto byla přesnost mnohem menší.

Experiment Daya Bay byl spuštěn v posledním čtvrtletí minulého roku. Nějakou dobu trvalo, než se vše rozběhlo, reálná měření oscilací tak probíhala od konce prosince do konce února. Intenzita produkovaných neutrin pochopitelně závisí na tom, kolik reaktorů je v provozu a se spouštěním nových se situace stále zlepšuje, jak je vidět na obrázku. Během dvou měsíců se podařilo v blízkých detektorech pozorovat přes 80 tisíc neutrin, ty vzdálenější jich zaregistrovaly okolo sedm a půl tisíce. Pokles počtu neutrin je totiž úměrný kvadrátu vzdálenosti od ztroje.

Zvětšit obrázek

Naměřený průběh oscilací, výsledky měření v blízkých detektorech (EH1 a EH2) a vzdálených detektorech (EH3) jsou vyznačeny modře a nejlepší fit těmito experimentálními body je vyznačen červeně. (Článek arxiv)

Vysoká přesnost měření umožnila určit úbytek elektronových antineutrin způsobený oscilacemi. Jeho hodnota je popsána kvadrátem sinu dvojnásobku úhlu Ɵ₁₃, a dosáhla hodnoty sin²(2 Ɵ₁₃) = 0,092 se statistickou nejistotou 0,016 a systematickou 0,005. Pokles množství elektronových antineutrin způsobený oscilacemi je tak ve vzdálenosti 1,8 km, kde je první oscilační minimum, zhruba 9 %. To není sice hodně, ale mnohem více, než se očekávalo.

Lze předpokládat, že nyní, když jsou spuštěny všechny nové reaktory v elektrárně Ling Ao II a budou se intenzivně nabírat data, se podaří snížit statistickou nejistotu a zpřesnit hodnotu úhlu Ɵ₁₃. V případě úspěchu bude možné začít studovat fázi delta v matici, která oscilace popisuje. To by byl významný krok k pochopení a popsání narušení klíčových symetrií u neutrin.

Zvětšit obrázek

Fotografie vzdálenějších detektorů EH3 před jejich pokrytím detektory identifikujícími kosmické miony, ty jsou nalevo (zdroj prezentace Yifang Wanga)

Závěr

Experiment Daya Bay je krásnou ukázkou využití komerčního zařízení, které není určeno k vědeckému výzkumu, k provedení excelentního základního fyzikálního experimentu. Nestačí k tomu však jen souhlas provozovatelů elektráren, ale také široká spolupráce mnohých odborníků se znalostí chování zdrojů neutrin a průběhu provozu reaktorů.

V současné době jsou tak z parametrů potřebných pro popis vlastností a chování neutrin známy dva rozdíly kvadrátů hmotností a tři potřebné směšovací úhly. Nyní je třeba ještě určit absolutní hodnotu klidové hmotnosti alespoň jednoho neutrina. Je třeba také rozhodnout, jestli je neutrino dirackovské nebo majoranovské, tedy jestli se mezi sebou liší nebo neliší neutrino a antineutrino. V prvním případě by to mohl udělat experiment KATRIN (více zde), případně další budoucí experimenty s měřením hmotnosti elektronového neutrina. Jak k hmotnosti neutrina, tak k jeho charakteristice se mohou vyslovit experimenty s bezneutrinovým dvojitým rozpadem beta. Pokud jsou neutrina majoranovskými částicemi, objeví se v matici ještě dvě další fáze.

Důležitým krokem ve zkoumání neutrinových oscilací by bylo vybudování zdroje směrovaných svazků elektronových antineutrin nebo neutrin s vysokými energiemi. K tomu by se daly využít urychlovače radioaktivních jader. Ta by se urychlila na velmi vysoké energie a v jejich rozpadu by vznikal svazek antineutrin či neutrin (podle typu rozpadu beta) letících ve směru pohybu urychleného svazku. O takových zařízeních se reálně uvažuje. 

Zvětšit obrázek

Jaderná elektrárna Ling Ao s dvěma reaktory (zdroj stránky experimentu Daya Bay).

Zvětšit obrázek

Nové reaktory jaderné elektrárny Ling Ao II posílily produkci potřebných elektronových antneutrin (zdroj EVN News).

V každém případě se dá očekávat i v budoucnu řada zajímavých novinek ve výzkumu neutrin. I když experiment Daya Bay je hlavně činskou a americkou záležitostí, v týmu je i skupina českých fyziků z Matematicko fyzikální fakulty UK v Praze. To nabízí českým studentům jedinečnou možnost zapojit se do špičkového vědeckého výzkumu.
Za inspiraci k článku děkuji vedoucímu skupiny, kolegovi Rupertu Leitnerovi, který na zajímavém semináři informoval o výsledcích experimentu.

Další informace o vlastnostech, studiu i aplikacích neutrin lze najít v článku pro časopis Kozmos a Astropis (zde a zde) nebo v cyklu článků o těchto částicích na Oslovi. Stránky experimentu Daya Bay jsou zde a klíčové jeho publikované články zde a zde.