Neutrína: úvod Understand article

Preložila Alena Gintnerová. Čo majú spoločné pohyby kontinentov, atómové elektrárne a supernovy? Sú to neutrína, ako vysvetľuje Susana Cebrián.

Čo sú neutrína?

S láskavým dovolením Mark
Tiele Westra

Neutrína, čo znamená ‘maličké neutrálne‘, alebo neutróniky, sú všade okolo nás. Tieto maličké elementárne častice cestujú priestorom rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla a nemajú žiadny náboj. Niekedy sa o nich myslelo, že nemajú ani hmotnosť, ale v súčasnosti vedci naznačujú, že ju majú; je odhadovaná na menej ako miliardtinu hmotnosti vodíkového atómu, avšak tento výskum ešte nie je uzavretýw1.

Existencia neutrín, patriacich k najpočetnejším časticiam vo vesmíre, bola prvýkrát postulovaná rakúskym fyzikom Wolfgangom Paulim v roku 1930, aby bolo možné vysvetliť pozorovania rádioaktívneho beta rozpadu. Ich existencia však bola potvrdená až po postavení prvých atómových elektrární, keď sa podarilo získať dostatočne veľký tok neutrín (vlastne ich antičastíc, antineutrín; pozri Landua & Rau, 2008, pre viac informácií o antičasticiach) z rozpadajúcich sa fragmentov štiepenia. V roku 1956 Clyde Cowan a Frederick Reines postavili pod zemou dva veľké vodou naplnené rezervoáre, len pár metrov od jadrovej elektrárne v Savannah River blízko Aiken, v Južnej Karolíne, USA, v ktorých tieto antineutrína interagovali s protónmi vody (viď obrázok dolu). Frederick Reines dostal za tento experiment v roku 1995w2 Nobelovu cenu za fyziku. Clyde Cowan nemohol cenu zdieľať s ním, pretože v roku 1974 zomrel.

Reinesov a Cowanov
experiment: elektrónové antineutrína (νe) interagujú s protónmi vody (p+) vo veľkom rezervoári naplnenom vodou a kadmium chloridom (CdCl2); výsledkom interakcie je produkcia pozitrónov (e+, antičastíc elektrónov) a neutrónov (n0). Pozitróny sú anihilované, keď sa stretnú s elektrónmi z média (e)a neutróny sú absorbované jadrami kadmia (Cd). Obe tieto reakcie spôsobujú vyžiarenie fotónov gama žiarenia (γ), ktoré sú detekované pomocou scintilátorov. Tieto transformujú signál na záblesky viditeľného svetla, ktoré potom môžu byť detekované a spracované fotonásobičmi. Kliknutím na obrázok ho zväčšite

Obrázky so súhlasom Susana Cebrián

Podľa štandardného modelu časticovej fyziky existujú tri príchute (typy) neutrín (viď obrázok dolu): elektrónové neutríno, miónové neutríno a taónové neutríno, ktoré boli všetky experimentálne potvrdené. Za detekciu miónového neutrína získali v roku 1988w2 Leon M Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger Nobelovu cenu za fyziku.

Bol navrhnutý štvrtý, ‘sterilný’ typ, ktorý je odolný voči slabej sile štandardného modelu. Posledné informácie zahrňujúce prepracovaný výpočet meraní vykonaných v roku 1980 v Institut Laue-Langevinw3 v Grenoble vo Francúzsku, podporujú túto myšlienku (Hand, 2010; Reich, 2011). Ak by sa sterilné neutrína našli, otvorila by sa nová oblasť fyziky za štandardným modelom.

Štandardný model časticovej fyziky.
Hmotné častice existujú v dvoch rôznych typoch, leptónoch a kvarkoch. Tvoria súbor 12 častíc, rozdelených do troch rodín, z ktorých každá obsahuje dva leptóny (jeden z nich je neutríno) a dva kvarky. Hmotné častice môžu navzájom ‘komunikovať rôznymi spôsobmi tak, že si vymieňajú rôzne typy častíc-poslov, ktoré sa nazývajú bozóny (pre každú fundamentálnu interakciu iný bozón), ktoré si môžme predstaviť ako malé balíčky energie so špeciálnymi vlastnosťami. Hmotnosti jednotlivých častíc sú stale skúmané vedeckou komunitou; tieto hodnoty sú z roku 2008

Obrázky so súhlasom PBS NOVA; zdroj obrázku: Wikimedia Commons
Super-Kamiokande
rezervoár, takmer plný vody,
pohľad zhora. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite

Obrázky so súhlasom Kamioka
Observatory, ICRR (Institute for
Cosmic Ray Research), The
University of Tokyo

Dokonca aj tri potvrdené typy neutrín sú zvláštne: oscilujú od jednej príchute k druhej – elektrónové, miónové a taónové neutríno sa menia z jedného na druhé. Tento jav bol prvýkrát pozorovaný v roku 1998 v japonskom Super-Kamiokande experimentew4, v ktorom sa zistilo, že miónové neutrína vytvorené v atmosfére ‘zmizli’, pravdepodobne do taónových neutrín. Nedávny experiment teraz úspešne pozoroval taký jav z inej perspektívy- ako objavujúce sa taónové neutríno namiesto miznúceho miónového neutrína: po troch rokoch, počas ktorých bol vysielaný lúč miónových neutrín z CERNuw5 (Ženeva, Švajčiarsko) bolo v roku 2010 detektorom OPERA v Gran Sasso National Laboratoryw6 (Taliansko), 730 km od CERNu (viď obrázok dolu), detekované taónové neutríno.

Detekcia týchto oscilácií tiež vyriešila 40-ročnú záhadu: vedci vždy našli omnoho menej elektrónových neutrín prichádzajúcich zo Slnka než očakávali. V roku 2001 Solar Neutrino Observatoryw7 v Kanade demonštrovalo, že sa elektrónové neutrína počas cesty na zem zmenili na neutrína iných príchutí (Bahcall, 2004). Ďalšie pokusy analyzovať neutrínové oscilácie prebiehajú napríklad vo Francúzsku a Japonsku, kde urýchľovače a jadrové elektrárne poskytujú veľké množstvo antineutrín na pozorovaniew8.

Na ceste z CERNu v Ženeve, Švajčiarsko, do Gran Sasso, Taliansko, sa niektoré z miónových neutrín vo zväzku zmenia na taónové neutrína a sú detekované detektorom OPERA. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázky so súhlasom CERN

Odkiaľ pochádzajú neutrína?

Najranejšie neutrína pochádzajú spred 14 miliárd (14 x 109) rokov, 10-43 sekundy po Big Bangu. O necelú sekundu neskôr sa už rýchlo pohybovali preč od zvyšku horúcej a hustej prvotnej časticovej polievky; vedci stále hľadajú neutrína, ktoré prežili od Big Bangu.

Slabá interakcia neutrín s hmotou spôsobuje, že je takmer nemožné ich detekovať, ale zároveň ich robí zaujímavými pre vedcov. Na rozdiel od väčšiny iných častíc, neutrína sú schopné uniknúť z hustých oblastí, ako je jadro Slnka alebo Mliečnej cesty. Dokážu prejsť dlhé vzdialenosti zo vzdialených galaxií bez toho, aby boli absorbované, nesúc informáciu o týchto oblastiach. V tomto zmysle sú neutrína kozmickí poslovia a neutrínová astronómia sa stáva stále dôležitejšou.

Doteraz boli pozorované len dva zdroje mimozemských neutrín: Slnko a supernovy. Raymond Davis Jr a Masatoshi Koshiba získali tretiu neutrínovú Nobelovu cenu za fyziku v roku 2002w2 za ich detekciu slnečných neutrín a neutrín zo supernov. Rovnako ako iné hviezdy, aj Slnko vyžaruje elektrónové neutrína v rôznych krokoch procesu, pri ktorom sa ľahšie jadrá zlučujú do ťažších (viď obrázok dolu, a ak chceš zistiť viac, viď Westra, 2006, a Boffin & Pierce-Price, 2007); viac než 1010 neutrín zo Slnka narazí na centimeter štvorcový Zeme každú sekundu. Na rozdiel od fotónov, ktorým cesta z jadra Slnka do jeho vonkajšej fotosféry, odkiaľ už rýchlo dorazia na Zem, trvá okolo 100 000 rokov, neutrína uvoľnené v tom istom jadrovom procese vykonajú celú túto cestu iba za 8 minút. Preto sú slnečné neutrína užitočnými poslami nesúcimi informácie o práve prebiehajúcom fúznom procese vnútri Slnka a o chemickom zložení jeho jadraw9.

Fúzia v Slnku: dve vodíkové jadrá sa zlúčia a vytvoria jadro deutéria, pozitrón a neutríno. Pozitrón sa rýchlo stretne s elektrónom, navzájom anihilujú a zostane len energia. Deutériové jadro sa ďalej zlúči s ďalším vodíkovým jadrom a vytvorí hélium-3. V poslednom kroku sa zlúčia dve jadrá hélia-3, aby vytvorili hélium-4 a dve vodíkové jadrá. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázky so súhlasom Mark Tiele Westra
Umelcov pohľad na materiál
okolo supernovy SN1987A:
dva vonkajšie kruhy, jeden
vnútorný kruh a
deformovaný najvnútornejší,
vyvrhnutý materiál

Obrázky so súhlasom ESO / L
Calçada

Neutrína zo supernov sú dôsledkom násilného konca niektorých hviezd, ktoré explodujú a produkujú dokonca viac neutrín ako fotónov (viď Székely & Benedekfi, 2007): v roku 1987 niekoľko detektorov zaregistrovalo neobyčajne silný signál (niekoľko eventov za pár sekúnd v porovnaní so zvyčajnou frekvenciou približne 1 event za deň), pripísaný neutrínam zo supernovy SN1987A vo Veľkom Magellanikovom mraku. Aby astronómovia mohli pozorovať tieto eventy, niekoľko neutrínových detektorov je teraz navzájom spojených do Supernova Early Warning Systemw10, /Systému skorého varovania pre supernovy /, pretože počas týchto hviezdnych explózií sú neutrína uvoľňované pred fotónmi, ktoré astronómovia hľadajú, aby ich mohli detekovať.

Astronómovia však nie sú jediní vedci, ktorí sa zaujímajú o neutrínové detektory. Na Zemi existujú zdroje prírodných aj umelých neutrín: rádioaktívny materiál zvnútra Zeme tiež môže podliehať beta rozpadu a produkovať geo-neutrína. Nadôvažok, aj jadrové reaktory produkujú neutrína a určité konkrétne časticové urýchľovače sa používajú ako zdroje neutrín pre výskum. Tieto sú samozrejme zaujímavé pre časticových fyzikov, aby mohli ďalej skúmať neutrína, ale tiež pre geofyzikov a možno dokonca aj pre politikov (viď ‘Neutrína ako jadrová polícia’ a ‘Poháňajúc Zem’).

Ako posledný zdroj, keď kozmické lúče narazia na zemskú atmosféru, atmosferické neutrína sú emitované ako produkty rozpadu piónov a miónov. Tento najrozšírenejší zdroj prirodzene sa vyskytujúcich neutrín na Zemi je mrzutosťou pre neutrínových astronómov (pozri ‘Ako detekovať neutrína’, dolu), ktorí sa zaujímajú o neutrína pochádzajúce z vonkajšieho priestoru, ale neutrínovým fyzikom poskytuje ďalšie prostriedky štúdia ich obľúbených častíc.

Ako detekovať neutrína

Neutrína sú veľmi užitočné pre štúdium astronomických a kozmologických javov a neutrínové detektory sa budujú po celom svete hlboko pod zemou, aby sa odfiltroval ‘šum’ spôsobený inými časticami. Nedávno dokončený IceCubew11 je doteraz najväčší detector: kilometer kubický ľadu na južnom póle, ktorý funguje ako teleskop na hľadanie neutrín z astrofyzikálnzch zdrojov (pozri obrázky dolu). Keď neutríno narazí na protón antarktického ľadu, uvoľní sa mión. Ako každá nabitá častica cestujúca rýchlejšie, než rýchlosť svetla v nejakom špecifickom médiu (hoci pomalšie než rýchlosť svetla vo vákuu), mión vytvorí kónickú dráhu modrého svetla – Čerenkovovo žiarenie, fotónový ekvivalent nadzvukovej rázovej vlny, ktorý možno tiež vidieť v niektorých jadrových reaktoroch.

 

Zoskupenie IceCube neutrínového teleskopu je umiestnené na južnom póle (hore vľavo; Stanica na južnom póle vľavo od pristávacej dráhy, IceCube je vpravo). Pozostáva z tisícok autonómnych digitálnych optických modulov (hore vpravo), ktoré zaznamenávajú čas príchodu každého neutrína. Sú rozmiestnené v hlbokých dierach v ľade vyvŕtaných horúcou vodou (dole vľavo; kliknite pre zväčšenie obrázka). Keď neutríno narazí na protón antarktického ľadu vytvorí sa Čerenkovov kužeľ modrého svetla (dole vpravo; kliknite pre zväčšenie obrázka) a dráha svetla je rekonštruovaná z časov neutrínovej detekcie.
Obrázky so súhlasom NSF

Tisícky optických senzorov v trojrozmernej mriežke 1,5-2,5 km hlboko v ľade detekujú toto svetlo; spoločne tieto údaje môžu byť využité na určenie energie neutrína a smeru, z ktorého prišlo. Aby sme mohli rozlíšiť mióny, ktoré sú vytvorené z kozmických neutrín od ďalších miliónov miónov, ktoré sú produkované kozmickým žiarením v atmosfére nad detektorom, IceCube používa Zem ako filter, pozerajúc sa len na mióny, ktoré prichádzajú z podzemia. Neutrína sú jediné častice, ktoré sú schopné preniknúť cez Zem bez toho, aby tým boli ovplyvnené, takže každý mión, prichádzajúci z toho smeru, musel byť novovytvorený v detektore z kozmického neutrína.

Iné detektory používajú rôzne materiály a stratégie – ale všetky dávajú neutrínam do cesty tak veľa materiálu ako je to možné, aby ich donútili interagovať a odhaliť sa.

Neutrína ako jadrová polícia

Detekcia jadrových zbraní a materiálu je dôležitá z mnohých dôvodov, zahŕňajúc prevenciu jadrového rozširovania a terorizmu. Vedci teraz navrhujú, aby metre kubické antineutrínových detektorov boli použité na neinvazívne a bezpečné monitorovanie jadrových reaktorovw12.

V súčasnosti sú reaktory monitorované nepriamo (napríklad použitím satelitov, plynových a prachových emisií a seizmických a infrazvukových podpisov pre testovanie zbraní), čo môže viesť k zavádzajúcim údajom. Neutrínové detektory by poskytli informáciu o energii jadra reaktoru v reálnom čase a možno dokonca jeho izotopické zloženie. Zoskupenie zhruba 500 takýchto detektorov po celom svete by bolo schopné vypočítať výkon jednotlivých reaktorov, umožňujúc detekciu tajného testovania jadrových zbraní.

Rezervár Super-Kamiokande
detektora je naplnený vodou.
Kliknutím na obrázok ho
zväčšite

Obrázky so súhlasom Kamioka
Observatory, ICRR (Institute for
Cosmic Ray Research), The
University of Tokyo

Poháňajúc Zem

Neutrína sú detekované aj v geofyzike. Prirodzený rádioaktívny rozpad uránu, tória a draslíka v zemskej kôre a plášti udržiava tok roztaveného materiálu v konvekčných prúdoch, ktoré poháňajú kontinentálny pohyb, rozširovanie morského dna, erupcie sopiek a zemetrasenia.

Pre tento rozpad existuje niekoľko modelov v závislosti od zloženia zemskej kôry. Geo-neutrína produkované počas rozpadu môžu pomôcť zodpovedať na otázku zloženia zemskej kôry. Geoneutrína boli prvýkrát detekované v roku 2005 v KamLANDw13 experimente v Japonsku, hoci veľké množstvo jadrových elektrární sťažovalo tieto štúdie, pretože antineutrína, ktoré uvoľňujú majú podobné energetické podpisy ako geoneutrína. V roku 2009 medzinárodný tím z Borexino projektuw6, w14 bol úspešnejší, pretože v blízkosti je menej jadrových elektrární, takže bolo možné zozbierať štatisticky významný počet geoneutrín na určenie relatívneho množstva uránu, tória a draslíka.

Počas toho, ako čítate tento článok prešlo cez vás bez povšimnutia 10 000 000 000 000 000 neutrín. Maličké, ale aj tak majúce silu potvrdiť alebo zavrhnúť mnoho vedeckých teórií.

Poďakovanie

Editori by radi poďakovali Dr. Christianovi Buckovi, neutrínovému fyzikovi z Max-Planck-Institut für Kernphysik (Max Planckovho Inštitútu pre jadrovú fyziku), Heidelberg, Nemecko, za radu pri tvorbe tohto článku.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

CERN, ILL

Author(s)

Susana Cebrián je profesorkou na University of Zaragoza, Španielsko, pracuje na niekoľkých experimentoch v oblasti astročasticovej fyziky v Spanish Canfranc Underground Laboratory.


Review

Neutrína sú čudné častice – malé ale fascinujúce. Tento článok opisuje ich pôvod a detekciu prístupým spôsobom a s rozumnými faktami. To z neho robí dobré vzdelávacie čítanie pre učiteľov fyziky, ale tiež môže byť štartovacím bodom pre študentov, ktorí pripravujú prezentáciu projektu o tejto téme, alebo na vyvolanie ďalších diskusií, napr. o časticovej fyzike vo všeobecnosti, o štandardnom modele, fyzike detektorov, CERNe, astrofyzike alebo radiácii.

Článok je užitočný najmä na hodiny fyziky, ale obsahuje aj prepojenia s geofyzikou. Aby bola téma dostupná aj pre mladších študentov (okolo 14 rokov), navrhoval by som, aby si učiteľ vybral časti článku na diskusiu.


Gerd Vogt, Rakúsko




License

CC-BY-NC-ND