Student World

Mezinárodní projekt KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) založili v roce 2001 fyzikové z německých, ruských a amerických výzkumných pracovišť společně s pracovníky Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži. Členy 120členného kolektivu jsou nyní i angličtí badatelé. Cílem fyzikálně inženýrského projektu nové generace je dosáhnout v roce 2014 kosmologicky významné citlivosti na hmotnost neutrina rovnou 0,2 eV.

***tento text je převzat z Akademického bulletinu 1/2007. Děkujeme redakci AB za svolení k přetištění.

V roce 1930 vrcholily potíže s vysvětlením tvaru energetického spektra elektronů vysílaných při radioaktivním rozpadu beta. Vznikla závažná pochybnost, zda všeobecně uznávaný zákon zachování energie platí i v mikrosvětě. V té době, kdy fyzikové znali jen dvě elementární částice – elektron a proton –, zavedl budoucí nositel Nobelovy ceny Wolfgang Pauli do fyziky třetí částici – neutrino. Dostalo za úkol odnášet "chybějící" energii v rozpadu beta, a tak zákon zachování energie zachránit. Brzy nato vypracoval Enrico Fermi, rovněž budoucí nositel Nobelovy ceny, první teorii rozpadu beta s hypotetickým neutrinem, která s experimentem souhlasila. Trvalo však čtvrt století, než se podařilo dokázat, že Pauliho neutrino se v přírodě skutečně vyskytuje. S ostatní hmotou interaguje zcela nepatrně, a proto musel být k jeho detekci zkonstruován obrovský detektor.
Dnes víme, že existují neutrina tří druhů a pro nás je jejich mocným zdrojem především Slunce či výbuch supernovy v naší galaxii. Je téměř jisté, že v každém krychlovém metru vesmíru existuje v průměru 300 milionů tzv. reliktních neutrin, která jsou pozůstatkem Velkého třesku, podobně jako reliktní mikrovlnné záření. Neutrina vznikají též v jaderných reaktorech a urychlovačích, ale pro člověka nepředstavují vůbec žádné nebezpečí: každý z nás zachytí za celý život stěží jedno či dvě neutrina.

Přes téměř šedesátileté úsilí experimentátorů dosud nevíme, jakou hmotnost neutrino má (kolik "váží"). Rovněž teoretici nedokážou tuto hodnotu zatím předpovědět a dlouho předpokládali, že je nulová. V posledních letech však byl spolehlivě prokázán kvantově mechanický jev neutrinových oscilací (předpovězen Brunem Pontecorvem již v roce 1957), který by při nulové hmotnosti všech neutrin nebyl možný. Z měření těchto oscilací hmotnost neutrin sice určit nelze, ale vyplynulo z nich, že alespoň jeden druh neutrin musí mít hmotnost větší než 0,05 eV. (Podle Einsteinova vztahu E = mc na 2 odpovídá jednomu elektronvoltu hmotnost 1,8 . 10 na -33 g.) Z nejnovějších německých a ruských měření spektra beta tritia vyplynulo, že neutrino má hmotnost nejvýše 2,3 eV. Více než 200 000 neutrin je tudíž lehčí než jediný elektron, druhá nejlehčí základní částice.

Hmotnost neutrina potřebují znát fyzikové elementárních částic, aby ji zabudovali do dokonalejšího teoretického modelu mikrosvěta. Astrofyzikům by pomohla dokonaleji popsat výbuch supernov a je nezbytná i pro rozvoj kosmologických modelů při pátrání po skryté (či temné) hmotě a energii ve vesmíru. Před časem se uvažovalo o tom, zda by tuto hmotu nemohla tvořit reliktní neutrina. Z dnešních hranic hmotnosti neutrina vyplývá, že jejich příspěvek do celkové hmotnostní a energetické bilance vesmíru je mezi 0,1 a 15 procenty. Nedávné údaje o nepatrné směrové anizotropii reliktních fotonů a rozložení velkého počtu galaxií umožňují odhadnout součet hmotnosti neutrin tří typů přímo z kosmologického modelu. Tato veličina je však jednou z řady hledaných hodnot a kosmologové by uvítali její nezávislé určení jiným způsobem.

Nejcitlivější modelově nezávislé určení hmotnosti neutrina nabízí dostatečně přesné měření tvaru koncové části spektra beta tritia. K tomu je třeba sestrojit spektrometr, který bude mít současně vysoké rozlišení, velkou světelnost i nízké pozadí. První dva požadavky jsou protichůdné a zlepšení mohou nabídnout jen nové typy přístrojů. Touto cestou se podařilo omezit horní hranici hmotnosti neutrina z původních 5000 eV v roce 1948 na současnou hodnotu 2,3 eV. Stejnou cestou se vydala i mezinárodní spolupráce KATRIN (http://www-ik.fzk.de/katrin/). Předchozí měření spekter beta byla laboratorního typu. Projekt KATRIN je novátorský jak svým rozsahem, tak i požadovanou přesností měření a stabilitou řady fyzikálních veličin. Jeho nejnáročnější částí bude plynný zdroj radioaktivního tritia mimořádně vysoké aktivity a chemické i izotopové čistoty. Takový zdroj minimalizuje zkreslení zkoumaného spektra záření beta energetickými ztrátami, které při použití tritiových zdrojů v pevné fázi několikrát vedly k falešným výsledkům. Volba plynného zdroje umísťuje experiment KATRIN jednoznačně do Výzkumného centra v Karlsruhe, neboť tam se nachází jediná evropská tritiová laboratoř schopná splnit zmíněné požadavky. Částice beta, tj. elektrony vzniklé při radioaktivní přeměně tritia na helium, budou ze zdroje postupovat k dvojici elektrostatických retardačních spektrometrů s magnetickou kolimací částic. Předsazený spektrometr zabrání tomu, aby obrovské množství částic beta, které o hmotnosti neutrina nenesou žádnou informaci, postoupilo do hlavního spektrometru a tam zvyšovalo pozadí.

Hlavní spektrometr KATRIN představuje svými parametry (rozlišení 0,9 eV pro elektrony s energií 18,6 keV při světelnosti 18 % plného prostorového úhlu) i svými rozměry (průměr 10 m, délka 23 m) kvalitativní skok v elektronové spektrometrii. Požadavek na vakuum lepší než 10 na –11 mbar je technologickou výzvou, neboť tak kvalitního vakua bylo dosud dosaženo jen v mnohem menších komorách. Pro své velké rozměry musela tato vakuová komora cestovat z továrny v Deggendorfu do nedalekého Karlsruhe po moři oklikou kolem Evropy dlouhou 8800 km.

Vedení částic beta od radioaktivního zdroje přes oba spektrometry až k detektoru obstará vodící magnetické pole vytvořené téměř 40 supravodivými magnety. Náročný je i vývoj detektoru, jehož pozadí nesmí převýšit 1 impuls za 100 sekund. Hlavní spektrometr KATRIN bude měřit spektrum záření beta v jednotlivých krocích postupnou změnou brzdícího vysokého napětí v oblasti 18,6 kV. Výpočty ukázaly, že nepozorovaná změna tohoto napětí o více než dvě miliontiny jmenovité hodnoty by způsobila nepřípustnou systematickou chybu ve výsledné hmotnosti neutrina. To je přesnost dosahovaná v nejlepších metrologických laboratořích. Měření je přitom plánováno na 1000 měřících dnů, což je obvyklá doba v neutrinových experimentech.

Z toho důvodu bude kromě měření vysokého napětí nejlepším možným způsobem využit ke kontrole stability i monitorovací spektrometr. Ten se má opírat o radioaktivní standardy monoenergetických elektronů, které však zatím požadavky KATRIN nesplňují. Zdokonalení těchto standardů je hlavním úkolem skupiny fyziků v ÚJF AV ČR, za který převzali odpovědnost. Využívají při tom své zkušenosti z precizní spektroskopie radionuklidů, kvalitní řežské spektrometry i vlastní statistické metody kontroly stability dlouhodobých měření. Za soustavné podpory Grantové agentury ČR a spolu se studenty vysokých škol se tak podílejí na mezinárodním experimentu mimořádného významu. V této souvislosti se nabízejí moudrá slova Karla Čapka, že "jedinou šancí malého národa je kvalita".

***tento text je převzat z Akademického bulletinu 1/2007. Děkujeme redakci AB za svolení k přetištění.
(http://abicko.avcr.cz/bulletin_akt.php)

autor OTOKAR DRAGOUN, Ústav jaderné fyziky AV ČR