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.
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).
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.
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