Student World

Tento text je úryvkem z knihy Frank Close: Částicová fyzika
Jedná se o verzi před závěrečnou redakční úpravou.

volné pokračování předcházejícího textu
Historie detektorů – mlžná, bubliková a jiskrová komora

Detekce neutrin

V případě neutrin existuje jen velmi malá a v podstatě zcela nereálná naděje, že se nám podaří detekovat konkrétní neutrino, které si vybereme. Pokud však budeme mít velké množství neutrin a dostatečně velký detektor, pak máme určitou šanci zachytit alespoň některé z nich. Základní myšlenka detekce neutrin spočívá v tom, že se při srážce s hmotou změní na elektricky nabitý lepton, jako je například elektron. Jestliže se tedy některé z velkého vzorku neutrin přece jen srazí a vytvoří přitom elektron, pak máme vyhráno – tento elektron totiž detekovat dokážeme. Jak jsme se tedy o existenci neutrin vůbec dozvěděli a nachytali ta z nich, která skrze nás na své cestě od Slunce každou sekundu prolétají?
Když se světlo šíří hustším prostředím, třeba vodou, pohybuje se pomaleji než ve vakuu. Ačkoliv se nic nemůže pohybovat rychleji než světlo ve vakuu, existují takové částice, které dokáží překonat rychlost světla v hmotných prostředích. Pokud se částice pohybuje nějakým prostředím rychleji, než se v něm šíří světlo, pak vytváří určitý specifický druh rázové vlny viditelného světla, které se nazývá Čerenkovovo záření. Toto záření je emitováno do obloukového úhlu podél trajektorie částice a tento úhel je o to větší, čím větší je poměr rychlosti částice a rychlosti světla. Japonský experiment Super Kamiokande detekoval neutrina, když interagovala s vodou a vytvářela srážkami elektron anebo mion – to podle typu neutrina. Obě nově vznikající částice jsou na rozdíl od neutrina elektricky nabité. Ve vodě se po svém zrodu pohybují rychleji než světlo, a mohou tedy emitovat Čerenkovovo záření. Podrobným průzkumem detekovaných stop tohoto světla je dokonce možné rozhodnout i o tom, zda vznikl elektron anebo mion, a tedy současně odvodit, zda se jednalo o elektronové nebo mionové neutrino.
Sudburijská neutrinová observatoř (SNO) se nacházela [svou činnost totiž ukončila 28. listopadu 2006, až po vydání anglického originálu této knihy] více než 2 000 metrů pod zemí v niklovém dole u města Sudbury v kanadském Ontariu. Srdcem observatoře byla kulovitá akrylátová nádoba naplněná 1 000 tunami ultračisté těžké vody, které se také říká deuteriová voda. Jde o vodu kde není na kyslíkové atomy vázán obyčejný vodík (jádrem atomu je jeden proton), ale deuterium (jádrem je proton a neutron). V této nádobě interagovala elektronová neutrina s neutrony za vzniku protonů a elektronů. Rychle se pohybující elektrony pak při své cestě těžkou vodou emitovaly Čerenkovovo záření. Toto záření vytvářelo na stěnách nádoby charakteristické tvary prstence, které byly detekovány fotobuňkami, jichž se na stěnách nacházelo téměř 10 tisíc.
Výhoda SNO spočívala především v tom, že zařízení umělo díky reakcím s deuteriem detekovat všechny tři druhy neutrin. Všechny typy neutrin totiž umí rozložit jádro deuteria a uvolnit neutron, který pak je zachycen jiným jádrem. Nově vzniklé jádro nafouklé díky přibylému neutronu se zbavuje přebytečné energie emitováním záření gama, které následně způsobí produkci elektronů a pozitronů a ty pak emitují Čerenkovovo záření zachytitelné na stěnách detektoru.
Těmito experimenty bylo možné spočítat neutrina pocházející ze Slunce. Pokus mimochodem jako první potvrdil, že v nitru naší hvězdy probíhá jaderná fúze. To, že ve Slunci k těmto reakcím dochází, jsme předtím vlastně jen tušili, přímý důkaz nám až do detekce neutrin chyběl.

Detektory ve srážečích
Elektronické detektory poskytují ty nejlepší výsledky díky schopnosti, která je pro bublinkové komory nedosažitelná – mohou být totiž instalovány uvnitř urychlovačů, tedy přímo v místech, kde dochází ke srážkám částic. Jednotlivé typy elektronických detektorů jsou dnes kombinovány do válcových detektorů, které obklopují centrum srážky a jsou umístěné v nitru urychlovače. Kolize proběhne přesně na centrální ose detektoru, a jak se jednotlivé kusy vyprodukované srážkou rozlétnou, prolétají různými typy detektorů, z nichž každý se specializuje na jiný druh částic.
V urychlovači LHC mají svazky částic schopnost procházet detektorem přes sebe 40milionkrát za sekundu, přičemž při každém průchodu by měly být schopny provést na 25 kolizí – to celkem znamená téměř miliardu srážek za sekundu. Abychom si představili množství takto posbíraných dat: je to, jako byste současně zaznamenávali asi 100 miliard telefonních hovorů.

Obří detektory jsou v urychlovači LHC uchyceny na jednotlivých kolizních bodech. Zmiňme alespoň dva z nich. CMS (Compact Muon Selenoid) a ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) budou mít za úkol zkoumat nové energetické oblasti a pátrat v nich po dosud nezaznamenaných jevech. Detektor ATLAS je kupříkladu vysoký jako osmipatrová budova (26 m) a přitom dokáže měřit dráhy částic s přesností na setinu milimetru.
Podrobně si rozebereme jen jeden ze všech pěti detektorů urychlovače LHC, což nám umožní poznat principy moderní detekce přímo v akci. Detektor CMS se skládá ze tří částí. Začneme u té vnitřní, která se poeticky jmenuje „vnitřní stopař“. Úkolem stopaře je sledovat nabité částice s přesností na setinu milimetru a umožnit počítačům rekonstruovat jejich dráhu, která je zakřivena silným magnetickým polem. Druhým prvkem detektoru je dvoudílný kalorimetr, který má za úkol měřit energii většiny druhů částic. Jeho vnitřní část zodpovídá za detekci elektronů a fotonů, vnější část kalorimetru pak za měření energií hadronů.
Pojďme se na oba kalorimetry podívat blíže. Základem vnitřní části kalorimetru, tzv. elektromagnetického kalorimetru, je speciální sklo s příměsi olova. Takové sklo můžete najít i doma, například v podobě vázy z křišťálu. Olovo v tomto skle totiž nutí elektrony a pozitrony emitovat fotony a zároveň také naopak způsobuje, že fotony se mění na elektron-pozitronové páry. K tomuto lavinovitému efektu přeměn dochází cestou detektorem tak dlouho, až je veškerá energie částic rozptýlena. K rozptylu dochází proto, že elektrony a pozitrony se v detektoru pohybují rychleji než světlo, a emitují tedy mezi přeměnami Čerenkovovo záření, zachycované a sčítané světlocitlivými snímači detektoru. Množství světla posbírané detektorem pak hraje roli v určování energie původní částice, která do daného bloku detektoru vstoupila.
Tisíce tun železa je prokládáno plynem vyplněnými trubicemi, které slouží ke sběru protonů, pionů a dalších hadronů – částic složených z kvarků. Tato část kalorimetru, tzv. hadronový kalorimetr, měří tedy energii hadronů. Tento postup probíhá podobně jako měření tepla u jiných kalorimetrů. Železo v hadronovém kalorimetru má dvojí smysl: jednak zpomaluje a zachycuje hadrony a za druhé je součástí elektromagnetu, který zakřivuje dráhy částic. Zakřivení umožňuje stanovit elektrický náboj částice, což pomáhá při její identifikaci.
Vnější vrstva detektoru CMS se skládá ze speciálních mionových komor, jež mají z úkol vystopovat miony – jediné elektricky nabité částice, které se dokáží provrtat až tak daleko.
Celá soustava detektorů je hermeticky uzavřeným systémem, jehož cílem je pochytat co nejvíce částic vytvořených během kolize v jeho centru. V podstatě jen jediná částice dokáže z tohoto robustního systému uniknout – a tou je samozřejmě plaché neutrino, nezanechávající po sobě žádné reakce ani stopy. Určitá vizitka po něm však přesto zůstane v podobě chybějící energie a hybnosti, která musí být zachována při každém typu přeměny.
Detektor LHC je zkonstruován tak, aby dokázal zaznamenat produkty srážek, které nastávají miliardkrát za sekundu. To je již zcela jiná úroveň, než dříve nabízely mlžné a bublinkové komory, které dokázaly odpovídat jednou za minutu, respektive jednou za sekundu. Mezi vším smetím produkovaným při srážkách o energiích, jichž dosud nebylo nikdy dosaženo na žádném urychlovači, se bude čekat na klenot v podobě objevu nějakého zatím nepozorovaného jevu. Mezi očekávanými výsledky stojí rozhodně za zmínku například objev Higgsova bosonu. Tato částice ovšem při plánovaných experimentech vzniká s pravděpodobností jednoho objevu na 20 miliónů milionů kolizí. To znamená, že při miliardě kolizí za sekundu by měl být Higgsův boson vyprodukován v průměru jednou za den na každém z příslušných experimentů LHC. Původně proklamované hledání jehly v kupce sena je tedy očividně snazší než čekání na tuto částici, která má být nalezena mezi statisíci miliard jiných událostí. Vědci proto chtějí softwarově rozdělit data na oblasti, která mohou obsahovat Higgsův boson, a zaznamenat jen ty.
Pokud bychom se měli pokusit o určité shrnutí této kapitoly, ukazuje se, jak naše schopnosti poznávat původ a složení hmoty závisejí na pokroku ve dvou oblastech: na konstrukci ještě výkonnějších urychlovačů a na vývoji mnohem sofistikovanějších způsobů záznamu kolizí, k nimž v těchto urychlovačích dochází.

Frank Close: Částicová fyzika: Průvodce pro každého
Překlad Martin Petrásek, vázaná, 164 stran, 32 ilustrací, 185 Kč, Dokořán 2008
Podrobnosti o knize na stránkách vydavatele

autor