V nedávném článku se psalo o prvním úspěšném měření úbytku elektronových antineutrin z reaktoru na krátkých vzdálenostech zhruba dvou kilometrů způsobených slabým mícháním třetího a prvního typu neutrin. Tento projev oscilací neutrin se podařilo prokázat a změřit díky systému jaderných elektráren Daya Bay, Ling Ao a Ling Ao II. Ten obsahuje dohromady šest jaderných bloků. Nyní pak vyšla publikace s výsledky experimentu RENO (Reactor Experiment for Neutrino Oscillations), který změřil stejný efekt a plně potvrdil výsledky experimentu Daya Bay. V tomto případě se jako intenzivní zdroj neutrin (přesněji řečeno elektronových antineutrin) využívá šestice reaktorů jihokorejské Jaderné elektrárny Yonggwang. Pátý a šestý blok byly dokončeny v roce 2002. Stejně jako u šestice čínských reaktorů je elektrický výkon šestice korejských téměř 6000 MW a tepelný pak ještě třikrát větší. Třetí a čtvrtý blok patří dlouhodobě ke světové špičce ve využití.
Oscilace neutrin
Připomeňme si, o jaký typ měření se jedná. Neutrina elektronová, mionová a tauonová, která pozorujeme, nejsou čistými stavy, ale směsí jiných tří stavů (1, 2 a 3). Elektronová, mionová a tauonová neutrina mají dobře definovanou fyzikální veličinu vůni, tedy právě to, že jsou a dají se detekovat jako elektronová, mionová nebo tauonová. Nemají však přesně definovanou hmotnost a jsou směsí tří různých stavů s přesně danou hmotností. Tyto čisté hmotnostní stavy jsou označovány jako zmíněné stavy 1, 2 a 3. Ty mají tedy přesně definovanou hmotnost, ale jsou zase směsí stavů s různými vůněmi (tedy elektronovou, mionovou a tauonovou).
To způsobuje, že dochází k oscilacím a neutrino, které vzniklo například jako elektronové neutrino můžeme v jisté vzdálenosti pozorovat s jistou pravděpodobností jako mionové neutrino. Průběh oscilací závisí na energii neutrin, takže je jiný pro neutrina z reaktorů a z urychlovačů. Se vzdalováním od zdroje pak pozorujeme oscilace počtu původně vyzářeného typu neutrin. Pokud se podíváme na detekci elektronových antineutrin vyzářených právě reaktorem, zjistíme velký úbytek ve vzdálenosti necelých sta kilometrů, který je způsoben mícháním mezi hmotnostními stavy 1 a 2. To je velmi intenzivní a tak zmíněné první oscilační minimum těchto oscilací je velmi hluboké, pokles okolo 90 %. Přes tyto oscilace se překládají rychlejší oscilace, ale s velmi malou amplitudou, které jsou způsobeny mícháním stavu 1 a 3. První minimum oscilací je ve vzdálenosti necelé dva kilometry. Celkový průběh oscilací a pravděpodobnosti detekce elektronového antineutrina je na obrázku.
Experiment RENO potvrzuje výsledky z Daya Bay
A právě první úspěšné změření poklesu elektronových antineutrin z reaktoru ve vzdálenosti 1,8 km od něj se podařil experimentu Daya Bay. Nedávný článek jihokorejského experimentu RENO popisuje výsledky měření, které probíhalo od srpna minulého roku do konce března letošního roku. Nabírání dat tak trvalo téměř osm měsíců, což je zhruba čtyřikrát déle než u experimentu Daya Bay. Stejně jako u něj se použily detektory využívající kapalný scintilátor s příměsí gadolinia, které sloužilo k záchytu a identifikaci neutronů vznikajících spolu s pozitronem při reakci antineutrina s protonem. Stejně jako u čínského experimentu i jihokorejský experiment využíval blízký detektor pro určení intenzity neutrinového toku z reaktoru a srovnával ji s intenzitou změřenou téměř dva kilometry vzdáleným detektorem. Aby byly oba detektory co nejvíce totožné, kapalná náplň se připravovala dohromady a teprve po konečném namíchání se rozlila do různých detektorů.
Hlavní část poklesu detekovaných elektronových antineutrin byla dána vzdáleností, intenzita bodového zdroje klesá s kvadrátem vzdálenosti. Po opravě na tuto skutečnost je možné srovnáním pozorovat, jaká část vyzářených elektronových antineutrin se podaří detekovat v podobě stejného typu neutrin (se stejnou vůní). Blízký detektor zachytil přes 154 000 neutrin (v Daya Bay blízké detektory zachytily 80 000 neutrin) a vzdálený detektor pak něco málo přes 17 000 neutrin (v Daya Bay pak okolo 7 500).
Není potřeba změřit absolutní hodnotu toku neutrin, ale stačí relativní srovnání detekovaného počtu neutrin v blízkém a vzdáleném detektoru. To umožňuje dramaticky snížit systematickou chybu měření. A to je hlavním důvodem, proč se jak v experimentu Daya Bay tak i experimentu RENO podařilo naměřit pokles počtu elektronových antineutrin způsobený jejich oscilacemi. Ten pak umožňuje určit úhel míchání Ɵ13, protože pravděpodobnost, že budeme mít jiné antineutrino než elektronové pro oscilační minimum je P = sin2(2Ɵ13). A hodnota této pravděpodobnosti změřená experimentem Daya Bay je 0,092±0,016±0,005, kde první chyba je statistická a druhá systematická. Experiment RENO pak získal hodnotu 0,103±0,013±0,011. Díky větší statistice má RENO menší statistická chybu. Perfektní však je, že v mezích deklarovaných chyb výsledky obou experimentů výborně souhlasí.
Podařilo se i velice pěkně proměřit spektrum detekovaných neutrin. Vzhledem k tomu, že velikost oscilací závisí na energii neutrina, je tvar spektra detekovaných neutrin jiný u blízkého a vzdáleného detektoru. Obrovskou výhodu využití blízkého detektoru pro určení toku neutrin je vidět při srovnání s výsledky francouzského experimentu Double Chooz, který má navíc nevýhodu, že jde jen o dva reaktory, které mají dohromady pouze elektrický výkon 1450 MW. Statistika se tak nabírá pomaleji. Používá se pouze jeden detektor vzdálený zhruba kilometr od elektrárny Chooz. Experiment na přelomu roku publikoval výsledky svého 101 denního měření, které vedlo k hodnotě poklesu v minimu 0,086±0,041±0,030. Systematická chyba je hlavně dána nepřesností počítání antineutrinové intenzity a určení tepelného výkonu reaktoru. Hodnota je v mezích neurčitostí ve velmi dobré shodě s ostatními experimenty. Jak systematické tak statistické chyby jsou však více než třikrát větší než u předchozích experimentů. Což způsobuje, že důkaz nenulovosti úhlu Ɵ13 není dostatečně průkazný. Když se však vezmou všechny tyto tři experimenty, tak se jedná o velmi spolehlivé a docela přesné určení tohoto úhlu a míchání mezi prvním a třetím neutrinovým hmotnostním stavem.
Jak už jsem zmiňoval při popisu experimentu v Daya Bay, je historie změření posledního směšovacího úhlu u neutrin jednou z ukázek přesunu technologického a vědeckého rozvoje do Asie. To neprobíhá jen ve fyzice, chemii, materiálových a technických naukách, ale také v biotechnologiích (viz třeba nedávný článek na Oslovi). Zatímco v rozvíjejících se asijských zemích roste význam vědy a techniky, v Evropě se rozmáhají pověry a mysticismus. Evropská společnost si bohužel přestává uvědomovat, že převaha v životní i sociální úrovní, kterou oproti rozvojovým zemím má, je dána právě jejím minulým technologickým a vědeckým rozvojem. A tuto úroveň a převahu může v budoucnu lehce ztratit, pokud bude pokračovat v nastoupené cestě od racionality k iracionalitě. Přirozeným důsledkem pak bude i propad životní, sociální i kulturní úrovně.
Studia oscilací mionových neutrin a antineutrin z urychlovačů
Vraťme se zpět k neutrinům. Opět se rozjíždí japonské studium oscilace mionových neutrin produkovaných urychlovačem a posílaných do detektorů vzdálených několik stovek kilometrů. Po roce se totiž rozběhl zdroj mionových neutrin v japonském Tokai, kde byl urychlovač poničen zemětřesením 11. března 2011. Zhruba po roce bylo 3. února detektorem SuperKamiokande detekováno první mionové neutrino z tohoto zdroje. V polovině minulého roku se analýzou dat pořízených před zemětřesením podařilo získat 88 zaznamenaných neutrin a z nich 6 bylo kandidátů na elektronová neutrina. Šlo o první pozorování těch elektronových neutrin, které vznikají přeměnou z mionových. Navíc pozorování naznačovalo, že úhel Ɵ13 není nulový. V případě nulové hodnoty tohoto úhlu by totiž bylo možné zachytit pouze dva případy elektronových neutrin. Ve stejné době publikoval podobné výsledky experiment MINOS, který využívá zdroj neutrin NuMI v americkém Fermilabu. Ten také naznačoval nenulovou hodnotu zmíněného úhlu. Nyní tuto informaci plně potvrdily experimenty Daya Bay a RENO a změřily jeho přesnou hodnotu. V roce 2010 byl experimentem OPERA pozorován první kandidát na taunové neutrino vznikající z mionových produkovaných na urychlovači (viz. zde). Jeden případ je pro nezvratné prokázání málo, ale i tak už je silná přímá evidence, že se mionová neutrina mění opravdu na elektronová i tauonová.
Změření posledního směšovacího úhlu je velmi dobrou zprávou z pohledu studia rozdílu mezi neutriny a antineutriny. Umožňuje určení fázového posunu, který jej popisuje. Pro potřebná měření se buduje nový detektorový systém NOνA. Ten bude využívat v současné době nejintenzivnější zdroj neutrin NuMI ve Fermilabu, jehož svazek bude vysílán do okolo 800 km vzdáleného Ash River v Minnesotě, kde se detektor NOνA začal budovat. Bude porovnávat oscilace mionových neutrin a antineutrin a hledat rozdíly mezi nimi.
Pokud se najdou rozdíly mezi oscilacemi mionových neutrin a antineutrin, bude možné určit a podrobně studovat rozdíl mezi hmotou a antihmotou pro tento typ částic. To by mohl být velmi důležitý krok k pochopení vzniku přebytku hmoty nad antihmotou v ranném vesmíru. Jak se psalo v článku o výsledcích urychlovače LHC v minulém roce, je jedním z nejzajímavějších pozorování asymetrie mezi vlastnostmi Do mezonů a antimezonů, které se zdá značně překračovat předpovědi standardního modelu. Můžeme se těšit, že hledání rozdílů mezi chováním hmoty a antihmoty zaznamená v nejbližších letech intenzivní pokrok v řadě oblastí. Experiment NOνA by tak i díky současnému změření posledního směšovacího úhlu Ɵ13 mohl určit fázový posun, který popisuje narušení CP symetrie (a tedy i rozdíl mezi hmotou a antihmotou) pro neutrina (popis příslušných symetrií je zde).
Další skutečností, kterou by měl experiment NOνA zjistit, bude určení hierarchie hmotností neutrin. Tedy, jestli hmotnostní stav, který obsahuje největší příměs tauonového neutrina je nejtěžší (normální hierarchie) nebo nejlehčí (invertovaná hierarchie). Při normální hierarchii by měla intenzivněji oscilovat mionová neutrina, při invertované antineutrina.
Experiment NOνA bude využívat zdroj neutrin NuMI ve Fermilabu a bude mít jeden detektor o hmotnosti 220 tun v blízkosti zdroje neutrin, kontroluje intenzitu svazku neutrin, a druhý s hmotností 15 000 tun ve vzdálenosti už zmíněných 800 km. Detektory budou tvořeny z buněk z velmi průhledného PVC naplněného kapalným scintilátorem. Střední energie neutrin ze zdroje NuMI je 2 GeV, tedy neutrino, které má téměř nulovou klidovou hmotnost má relativistickou hmotnost přesahující hmotnost dvou protonů.
Zajímavé pro nás je, že na experiment NOνA se přesunuly i některé skupiny českých fyziků, kteří se účastnily experimentů na Tevatronu. A i ti se tak zúčastní zjištění všech parametrů nutných pro přesný popis chování neutrin.
Nadsvětelná neutrina – nepotvrzena
Opačná situace nastala v případě náznaku existence nadsvětelných rychlostí neutrin, který publikoval experiment OPERA. Ten detekuje mionová neutrina produkována v laboratoři CERN. Podrobné informace o tomto objevu je zde. Hlavním cílem experimentu OPERA nebylo měření rychlosti neutrin, ale detekce tauonových neutrin vznikajících oscilacemi mionových. Aby byla tauonová zachycena pomocí reakce, při které vznikne tauon (ten má hmotnost rovnou téměř dvojnásobku hmotnosti protonu), musí mít dostatečnou energii. I proto je pravděpodobnost zachycení tauonového neutrina mnohem menší než mionového neutrina. Proto je potřeba mít velmi vysokou intenzitu svazku neutrin a zdroj tak pracoval v režimu dlouhých pulzů, jejichž délka je zhruba deset mikrosekund. Z jednoho pulzu může být zachyceno nejvýše jedno mionové neutrino, když je velké štěstí. Jak už se psalo, tauonová neutrina se zachycují s menší než roční frekvencí. Neví se tak, jestli neutrino pochází ze začátku, středu nebo konce pulzu. Proto se neví, kdy přesně vyrazilo z laboratoře CERN. To byl důvod, proč OPERA potřebovala velkou dvouletou statistiku a vykreslení celého tvaru zachycovaného pulzu neutrin. Jeho hrany pak srovnávala s tvarem pulzu protonů, jejichž reakce byly zdrojem neutrin. I v tom mohl být problém. Proto se na podzim uskutečnil experiment, při kterém se dva týdny vysílaly z laboratoře CERN krátké pulzy o délce pouhých 3 ns, vzdálenost mezi nimi byla 524 ns. O výsledcích měření s krátkými pulzy experimentu OPERA informoval Osel zde. Ukázalo se, že i v tomto případě se pozoruje o zhruba 60 ns dřívější přílet neutrin než by byla doba příletu světla. Bylo jasné, že problém nebyl v krátkých pulzech, ale pokud je výsledek chybný, musí být problém v časové synchronizaci. Na ní ukazovala i pozdější vyhlášení představitelů experimentu OPERA, že našly možné zdroje chyb v konektoru optického propojení GPS a vlastního časového systému řídícího počítačového systému detektoru.
Nyní publikoval výsledky měření rychlosti neutrin v průběhu vysílání krátkých pulzů experiment ICARUS. Ten je také v Gran Sasso a jeho hlavní výhodou je velmi přesné určování energie neutrin. Tuto vlastnost využil při vyloučení ztráty energie při letu neutrin z laboratoře CERN do Gran Sasso, kterou vyžadují některé hypotézy nadsvětelných neutrin (viz zde). V publikovaném článku fyzikové experimentu ICARUS ukazují, že jejich data o sedmi zachycených neutrinech odpovídají rychlosti neutrin, která je velmi blízká rychlosti světla a vylučují nadsvětelnou rychlost pozorovanou experimentem OPERA. Je třeba poznamenat, že experiment ICARUS má svou vlastní nezávislou časovou synchronizaci. Ukazuje to tak, že měření nadsvětelné rychlosti neutrin bylo chybné a že problém nebyl v časové synchronizaci v laboratoři CERN, ale u experimentu OPERA. Lze tak s hodně velkou jistotou říci, že nadsvětelná rychlost neutrin se nepotvrdila. Úplně by tuto historii mělo uzavřít opakování experimentu s režimem krátkých pulzů v květnu, kterého se určitě zúčastní jak OPERA tak ICARUS.
Závěr
Oba případy z čerstvé historie zkoumání vlastností neutrin ukazují, jak je důležité mít několik nezávislých experimentů, které se navzájem kontrolují a doplňují. V prvním případě došlo k potvrzení nenulovosti míchání prvního a třetího hmotnostního stavu neutrina a hodnoty směšovacího úhlu určeného experimentem Daya Bay. Jedná se o velmi významný krok k získání přesného popisu oscilací neutrin. V druhém případě se nepotvrdila nadsvětelná rychlost neutrin. Na průběhu této události, která prolétla snad všemi medii včetně Blesku se výrazně projevila pozitiva i negativa dnešní internetové a mediální doby. Obrovská pozitiva toho, že dnes jsou téměř okamžitě dostupné informace ze všech koutů světa a to i ty odborné, pociťuje každý, kdo má seriozní zájem o pochopení fungování světa a přírodních zákonitostí v různých oborech. Na internetu může získat dostatečné množství informací, které mu umožní si udělat svůj obraz o situaci a rozšiřovat své poznání. Na druhé straně je snaha řady medií a to i těch, která se zabývají popularizací vědy, o co největší počet čtenářů a návštěvnost. To vede k tomu, že chtějí být první a tlačí na používání co největšího zjednodušení a atraktivnost. Tedy tah na senzaci a rychlost místo snahy o správnost, vysvětlení, vzdělávání a pochopení. Zvláště atraktivní je pro ně konflikt místo snahy o porozumění. Vzhledem k tomu, že věda je financována z veřejných prostředků, potřebují vědci i mediální popularitu. Problém je, že věda je hodně o testování slepých uliček, diskuze často velmi různorodých názorů a často i ostrá. Mohou se objevit náznaky něčeho nového, ale cesta k ověření je přes dlouhou a pečlivou analýzu. Problém však nastává, jestli jim stále přes rameno kouká novinář, který chce co nejdříve senzaci, kterou uveřejní dříve než bude u druhých novin. A ve snaze o zdržení publikace a další ověřování vidí snahu o utajování. Pak se rovnováha mezi snahou věci co nejvíce ověřit nebo už je publikovat velice těžko hledá. A to je i prostředí, které do značné míry ovlivnilo mediální část kauzy nadsvětelných neutrin. A dá se říci, že jen velmi málo s velké spousty článku v médiích o nich mělo rozumnou úroveň serióznosti.