Když jsem před deseti lety psal podrobný článek o vlastnostech neutrina a historii jeho zkoumání, bylo budování experimentu KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment) na svém počátku. I když vakuová komora spektrometru o průměru deset metrů už absolvovala svou vodní cestu kolem celé Evropy. V minulém roce se zařízení, které velice přesně měří energie elektronů emitovaných v rozpadu tritia, podařilo konečně dokončit.
Naměřené spektrum elektronů v sobě nese informaci o hmotnosti neutrina. Při beta rozpadu tritia vzniknou celkově tři objekty, prvním je helium 3, druhým pak elektron a třetím antineutrinu. Ty si mezi sebou rozdělí energii, která se při rozpadu uvolní. Na neutrino nemůže zůstat méně energie, než je obsaženo v jeho klidové hmotnosti. Tím je ovlivněna i koncová část spektra emitovaných elektronů. Tritium je velmi vhodné pro určování hmotnosti pomocí jeho rozpadu. Energie, která se uvolňuje při jeho beta rozpadu, je totiž jednou z nejmenších, pouze necelých 19 keV. Připomeňme, že klidová energie elektronu, což je druhá nejlehčí známá částice, je 511 keV. Právě u tohoto rozpadu je tak největší šance vidět vliv extrémně malé klidové energie související s klidovou hmotností na spektrum elektronů.
Spektrometr je postaven tak, že dokáže zkoumat rozpad plynného tritia. Tím se vyloučí vliv vazby atomů tritia v pevném terči, který byl pozorován v předchozích experimentech. Jejich energie už je srovnatelná s klidovou energií neutrina. Celá sestava spektrometru je dlouhá okolo 70m. Ze všech elektronů vyzářených při rozpadech tritia se vyseparují ty z nejvyšší energií. Ty se pak pošlou do hlavního spektrometru, kde se přesně určí jejich energie. Jejich detekci po průchodu spektrometrem zajišťuje systém 148 detektorů.
Elektrostatický spektrometr funguje tak, že se postupně zvyšuje napětí, které zadržuje elektrony se stále vyšší energií. Jde tak o jednokanálové měření, kdy při jednotlivém daném měření zjišťujeme, kolik elektronů má energii vyšší, než je nutná pro překonání hradby nastaveného napětí. Samotné spektrum se pak získá tak, že se odečtou naměřené počty elektronů v sousedních kanálech. Měření je velmi citlivé k přesnosti nastavení a stability napětí na spektrometru. Ta musí dosáhnout hodnoty ppm, tedy miliontiny jmenovitého napětí 18,6 kV.
Danou přesnost měření stability nelze dosáhnout žádnými elektronickými přístroji. Proto se stabilita kontroluje pomocí zdroje vyzařujícího konverzní elektrony s přesně definovanou jedinou energií. Využívá se plynový zdroj těchto konverzích elektronů založený na vybuzeném stavu kryptonu 83mKr s delší dobou života (izomerním stavu). Při jeho deexcitaci se emitují potřebné konverzní elektrony. Tento radionuklid má však krátký poločas rozpadu. Proto se produkuje radionuklidový zdroj 83Rb, který se na něj rozpadá a jehož poločas rozpadu je 86 dní. A právě metodika takové energetické kalibrace a monitorování spektrometru se vypracovala v Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži českou částí spolupráce KATRIN. Zde se také pomocí zdejšího cyklotronu produkuje i potřebný radionuklid rubidia.
Podrobně o dokončení spektrometru KATRIN v minulém roce povídal v rozhovoru pro Osla Otokar Dragoun, který je jednou z klíčových osobností české části spolupráce KATRIN. Ten také podrobně rozebíral rozvoj elektronové spektrometrie v Ústavu jaderné fyziky, českou cestu k experimentu KATRIN a jak se spektrometr podařilo vybudovat. Délka jeho konstrukce je dána i tím, že jde o zařízení pracující na současných technologických limitech. I díky tomu však vzniká jeho velký přínos pro pokrok vědy i technologie v oboru.
V první polovině roku se uskutečnila první měření na novém spektrometru s plynným tritiem, která trvala zhruba čtyři týdny. Analýzu získaného spektra prováděly tři nezávislé skupiny. Rozbor koncové části elektronového spektra je totiž velmi náročnou záležitostí a bylo třeba vyloučit možnost chyby v analýze. Ukázalo se, že všechna tři nezávislá zpracování dosáhla shodných výsledků. Ukázala, že na úrovní 90 % pravděpodobnosti je klidová energie neutrina nižší než 1 eV. Již za tak krátkou dobu se podařilo snížit hodnotu horní limity více než dvakrát oproti předchozím nejlepším experimentům, které proběhly v německém Heidelbergu a ruském Troicku. Zároveň je tato hodnota půlmilionkrát nižší, než je klidová energie druhé nejlehčí známé částice elektronu.
Ukazuje se tak extrémně velký potenciál, který zařízení má. Je vysoce pravděpodobné, že se předpokládané dosažení limity na úrovni 0,2 eV během prvních pár let měření podaří. Reliktní neutrina jsou po reliktních fotonech nejpočetnější částicí ve vesmíru. Znalost jejích hmotnosti je tak velmi důležitou informací pro modely vývoje našeho vesmíru.
Zároveň je třeba připomenout, že kromě elektronového neutrina (a antineutrina), které doprovázejí rozpad beta, existují ještě další dva typy. Právě jev oscilací mezi různými typy neutrin, při kterém dochází k přeměně jednoho typu neutrina na druhé, je důkazem, že alespoň dva typy těchto částic musí mít nenulovou klidovou hmotnost. Za prokázání tohoto jevu dostali v roce 2015 Nobelovu cenu za fyziku Takaaki Kadžita a Arthur B McDonald. Svými exotickými vlastnostmi by neutrina mohla být oknem do hájenství nové fyziky za Standardním modelem částic a interakcí. Podrobněji jsem vlastnosti neutrin rozebral v cyklu článků (zde, zde, zde a zde). Další informace o studiu oscilací jsou zde, zde a zde.
Právě studium oscilací a určení hmotnosti neutrin by se tak mohlo stát zdrojem informací o nové exotické fyzice. Je tak excelentní, že dlouhá výstavba a příprava spektrometru byla úspěšná a zařízení se pustilo do práce. Můžeme se tak těšit, že v následujících dvou letech se naše poznání této částice i díky experimentu KATRIN posune významně dopředu. Na stránkách AV ČR a Ústavu jaderné fyziky AV ČR lze nalézt českou verzi tiskové zprávy experimentu KATRIN a výsledky měření a analýzy pro odborníky jsou v článku na arXiv zde a zde.
Diskuze:
