Na lovu neutrin

Jak chiralita ovlivňuje vlastnosti neutrin a proč je tento vztah zásadní pro naše pochopení vesmíru. Unikátní experimentální zařízení zaměřené na detekci sterilních neutrin, kterých existence nebyla doposud prokázaná. Navíc má významné aplikace v oblasti jaderné bezpečnosti a monitorování jaderných zařízení, včetně reaktorů.

Pasteurův citát vystihuje základní princip chirality, vlastnosti, která se projevuje nejen v makrosvětě, ale i na úrovni molekul a subatomárních částic. Zaměříme se na fascinující fenomén chirality a její vztah k neutrinům – záhadným částicím, které hrají klíčovou roli ve fyzice částic.

Chiralita ve fyzice

Chiralita ve fyzice je fascinující vlastnost, která se týká asymetrie objektů či částic. Jako chirální se označuje takový objekt, který není totožný se svým zrcadlovým obrazem, nemá střed ani rovinu symetrie, avšak může mít rotační osu symetrie. Vztah mezi objektem a jeho obrazem je podobný jako vztah mezi levou a pravou rukou. Představte si, že máte dvě rukavice – jednu pro levou a druhou pro pravou ruku. Ačkoli vypadají podobně, nelze je zaměnit; levá rukavice nikdy nesedí na pravé ruce a naopak. Tento jev nazýváme chiralitou. V částicové fyzice je chiralita základní vlastností částic a je relativisticky invariantní, tzn. nemění se bez ohledu na rychlost a hmotnost částice v každé inerciální vztažné soustavě. Všechny fermiony (částice s poločíselným spinem) existují ve dvou chiralitách – levotočivé a pravotočivé. Avšak například neutrina, tajemné částice, které téměř neinteragují s hmotou, se vyskytují pouze jako levotočivá. Pravotočivá neutrina podle standardního modelu částicové fyziky neexistují, což vytváří zajímavou asymetrii ve vesmíru. Antineutrina známe podobně pouze jako pravotočivá. Existence pravotočivých neutrin a levotočivých antineutrin je předpokládána v rozšířených teoriích fyziky, které se snaží vysvětlit některé pozorované jevy, jež standardní model nedokáže plně objasnit. Je zde ale i možnost, že pravotočivá neutrina a levotočivá antineutrina jednoduše neexistují. Ale pokud ano, předpokládá se, že jejich vlastnosti by se významně lišily od vlastností dosud známých typů neutrin – mohly by mít vyšší hmotnost, být necitlivé na slabou jadernou sílu (tzv. sterilní neutrina), nebo dokonce obojí. Tato asymetrie není jen matematickou kuriozitou – má reálné dopady na to, jak se vesmír vyvíjí a funguje, a je klíčem k porozumění některým z největších záhad fyziky.

Chiralita je úzce spojena s helicitou částice. Helicitu lze definovat jako projekci spinu částice do směru jejího pohybu. Na rozdíl od chirality je však helicita závislá na vzájemném pohybu pozorovatele a pozorované částice. Pokud například pozorujeme částici s pravotočivou helicitou a následně se začneme pohybovat ve stejném směru, ale rychleji než tato částice, směr jejího pohybu vzhledem k nám se obrátí. Přesto projekce spinu do směru pohybu zůstává stejná. Tím se pravotočivá helicita částice změní na levotočivou. Naopak pokud pozorujeme částici s levotočivou helicitou a pohybujeme se rychleji než ona ve stejném směru, její helicita se změní na pravotočivou. Chiralita je vnitřní vlastnost částice, která nezávisí na pohybu pozorovatele. Pro nehmotné částice (fotony) je helicita totožná s chiralitou.

Záhadní poutníci vesmírem

Neutrina jsou jedny z nejzáhadnějších částic ve vesmíru. Ačkoliv jsou všude kolem nás a každou sekundu prolétají miliardy z nich našimi těly, jen velice zřídka interagují s hmotou. Jsme tak doslova obklopeni neviditelným oceánem neutrin. O nepatrné síle interakce neutrin s hmotou svědčí, že k tomu, aby olověným stíněním neproniklo ani jediné neutrino, potřebovali bychom vrstvu tloušťky několika světelných let. Neutrina nemají žádný elektrický náboj, což znamená, že neinteragují prostřednictvím elektromagnetických sil, které ovládají většinu interakcí, jež známe. Neutrina neinteragují ani prostřednictvím silné interakce, která působí mezi kvarky a gluony, ale pouze skrze slabou jadernou sílu a gravitaci, jež je ale vzhledem k jejich zanedbatelné hmotnosti nevýznamná. Tato vlastnost činí detekci neutrina extrémně obtížnou, protože pravděpodobnost, že slabá síla způsobí reakci s hmotou, je mnohem menší než v případě silné či elektromagnetické interakce.

V současné době známe tři typy neboli „vůně“ neutrin – elektronové neutrino, mionové neutrino a neutrino tau a jejich příslušné antičástice. S neutriny se pojí jeden velmi zajímavý fenomén, nazývaný oscilace neutrin (viz Vesmír 85, 33, 2006/1). Oscilace označuje proměnu jednoho typu neutrina na jiný typ, tedy například neutrino, které vznikne jako elektronové, může být detekováno v určité vzdálenosti od zdroje jako mionové. Tento jev byl poprvé naznačen pozorovanou diskrepancí v počtu elektronových neutrin přicházejících ze Slunce (viz též Vesmír 82, 102, 2003/2), známou jako anomálie slunečních neutrin. Experimenty, například experiment Homestake vedený Raymondem Davisem Jr., detekovaly pouze zhruba třetinu elektronových neutrin z počtu předpovídaného teoriemi založenými na modelech termonukleárních reakcí v jádru Slunce. Tento nesoulad vedl vědce k hypotéze, že neutrina mohou během své cesty ze Slunce k Zemi oscilovat mezi různými vůněmi. Detektory neutrin té doby byly citlivé převážně na elektronová neutrina, což znamenalo, že mionová neutrina a neutrina tau nebyla detekována. Pozdější experimenty, schopné detekovat všechny tři vůně neutrin, potvrdily tuto hypotézu a poskytly přesvědčivé důkazy o oscilaci neutrin. Tento objev byl zásadním průlomem, protože ukázal, že neutrina mají nenulovou hmotnost, což bylo v rozporu s původními předpoklady standardního modelu částicové fyziky.

Graf znázorňuje závislost pravděpodobnosti oscilace na vzdálenosti od zdroje pro dva typy neutrin a pro dané parametry oscilace. Červená křivka ukazuje pravděpodobnost, že s rostoucí vzdáleností od zdroje se elektronová neutrina přeměnila na mionová neutrina. Modrá křivka znázorňuje pravděpodobnost přežití, tedy pravděpodobnost, že elektronová neutrina na své cestě neoscilují.

Aby záhad spojených s neutriny nebylo málo, v roce 2011 byl představen zpřesněný Huberův-Muellerův model, který přehodnotil předpovědi toku antineutrin z reaktorů a ukázal, že tok antineutrin z reaktoru by měl být přibližně o 6 % vyšší než dosud naměřené hodnoty. Tato nesrovnalost mezi očekávanými a skutečně detekovanými antineutriny se stala známou jako anomálie reaktorových antineutrin a naznačuje, že elektronová antineutrina z reaktoru by mohla oscilovat na jiný, dosud neobjevený typ neutrina, tzv. sterilní neutrino. To je hypotetická částice, která interaguje pouze gravitací a může oscilovat s běžnými neutriny.

Od teorie k experimentu

Interakce antineutrina v detektoru S³ probíhá prostřednictvím inverzního rozpadu beta (ν̅_e̅ + p → n + e⁺). V tomto procesu antineutrino z reaktoru interaguje s protonem ve scintilačním materiálu, což vede ke vzniku pozitronu a neutronu. Pozitron následně anihiluje s elektronem v detektoru, čímž vzniknou dvě kvanta gama s energií 511 keV, která letí v opačných směrech pod úhlem 180°. Neutron, který vznikne v této interakci, se v materiálu detektoru postupně zpomaluje ve srážkách s atomy vodíku a po 2 až 40 μs se zachytí na konvertoru z gadolinia. Při deexcitaci jádra gadolinia dochází k vyzáření kvant gama s celkovou energií 8 MeV. Signaturou interakce neutrina v detektoru je tedy detekce promptního signálu od pozitronu a dvou kvant gama s energií 511 keV, následovaná signálem zpožděným o 2 až 40 μs ze záchytu neutronu. Inverzní rozpad beta má tudíž velmi specifickou časovou a geometrickou signaturu, kterou lze v detektoru přesně rozpoznat. První detekce neutrina byla také založena na inverzním rozpadu beta a tato metoda je díky své efektivitě a přesnosti široce využívaná při identifikaci neutrinových interakcí i dnes.

Po celém světě probíhá mnoho důležitých experimentů zaměřených na studium vlastností těchto téměř nepolapitelných částic, které neustále procházejí hmotou. Neutrina interagují s hmotou – a tedy i s detektory – s velmi nízkou pravděpodobností, což znamená, že detektory musí mít obrovské citlivé objemy, a aby bylo možné zachytit alespoň několik těchto částic, je třeba měřit dlouhou dobu. Tato potřeba obrovských detektorů a jejich dlouhodobý provoz výrazně zvyšují náklady a složitost celého experimentu.

Alternativní přístup spočívá v použití menších, kompaktnějších detektorů umístěných v bezprostřední blízkosti zdroje neutrin. Jaderný reaktor je jedním z nejintenzivnějších kontrolovatelných zdrojů neutrin, přičemž produkuje výhradně elektronová antineutrina. Intenzita toku antineutrin klesá s druhou mocninou vzdálenosti od reaktoru, což znamená, že čím blíže je detektor umístěn k reaktoru, tím vyšší je pravděpodobnost interakce antineutrina s detektorem. Proto je výhodné umístit detektor co nejblíže reaktoru (~m). Bezprostřednímu umístění vedle reaktoru však brání bezpečnostní pravidla v jaderných elektrárnách. Některé typy detekčních materiálů jsou také toxické, hořlavé anebo žíravé, a jejich užití v blízkosti reaktoru je proto problematické, což se týká například detektorů na bázi kapalných scintilátorů.

Vhodným řešením pro detektor antineutrin je využít plastový scintilátor na bázi polystyrenu. Detektor S³, který byl realizován v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT, má multifunkční využití: nejenže může ověřit hypotézu existence sterilního neutrina, ale také je schopen v reálném čase určit výkon reaktoru pouze na základě počtu detekovaných částic.

Detektor reaktorových antineutrin S³ spolu s akvizičním systémem v protiatomovém krytu v Praze byl realizován ve spolupráci s firmou NUVIA, a. s.

Hlavními izotopy v aktivní zóně reaktoru typu VVER-1000 (jaké jsou např. v Temelíně) bývají ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu a ²⁴¹Pu. Každý z těchto izotopů produkuje antineutrina s jedinečným energetickým spektrem. To znamená, že pomocí měření spektra antineutrin lze určit izotopové složení jaderného paliva. Tento postup nejenže umožňuje efektivní monitorování stupně vyhoření paliva, což by mohlo vést k jeho úsporám, ale také poskytuje možnost zjistit nelegální extrakci ²³⁹Pu, klíčové složky pro výrobu jaderných zbraní. Detektor by byl rovněž schopen identifikovat skryté jaderné reaktory nebo jaderné výbuchy, čímž by se stal neocenitelným nástrojem pro kontrolu jaderného materiálu a globální bezpečnost. Zkoumání neutrin tak nejen umožňuje odhalovat tajemství vesmíru, ale také poskytuje praktické aplikace, které mohou mít zásadní dopad na naši bezpečnost a energetiku.

Inovace v detekci částic

Detektor S³ velikosti krychle o hraně 40 cm, vyvinutý v ÚTEF ČVUT v Praze, byl realizován ve spolupráci s firmou NUVIA, a. s. Sestává z osmdesáti scintilačních desek s rozměrem 40 × 20 × 1 cm. Částice, jež proletí scintilátorem, v něm zanechá energii, kterou scintilační materiál promění na velmi krátký světelný impulz (desítky nanosekund). Vlnová délka světla ve scintilátoru je světelným vláknem převedena na vlnovou délku největší citlivosti fotosenzoru. Na výstupu fotosenzoru je již elektrický impulz, který je po tvarování vhodný pro zpracování v analogově-digitálním převodníku. Čtyřiaosmdesátikanálový převodník A/D s frekvencí vzorkování 100 MS/s byl navržen a zkonstruován v ÚTEF ČVUT v Praze speciálně pro potřeby tohoto experimentu.

Příklad události, která vypadá jako interakce neutrina v detektoru. První přichází promptní signál, který vzniká z interakce pozitronu ve scintilátoru, zatímco přibližně po 20 μs přichází zpožděný signál od záchytu neutronu. Tato charakteristická časová struktura dvou oddělených signálů je klíčová pro identifikaci neutrinových interakcí pomocí inverzního rozpadu beta.

Tak jak je obvyklé u všech částicových experimentů, detekujeme velké množství různých typů částic, ze kterého je nutné podle specifických selekčních kritérií vybrat ty události, o které se v daném experimentu zajímáme. Jak jsem již zmínila, reakcí v detektoru, které znamenají detekci antineutrin, je velmi málo. Navíc jejich rozpoznání ztěžuje statistický fakt, že ve velkém množství událostí vždy najdeme některé, které splňují výběrová kritéria, ale ve skutečnosti nejsou těmi událostmi, které hledáme. Tyto události tvoří nežádoucí pozadí experimentu, jež musí být u konkrétního detektoru umístěného pod reaktorem známé, abychom ho mohli statisticky odečíst od výsledků pod reaktorem. Například v případě detektoru S³ se během 24hodinového měření při maximálním energetickém rozsahu zaznamená až 11 miliard událostí, z nichž podle teoretických předpovědí jen asi 700 odpovídá detekci antineutrin z reaktoru. Je proto nezbytné zjistit, kolik událostí čistě statisticky splňuje zadaná výběrová kritéria za podmínky, že detektor není umístěn pod reaktorem. Proto byl detektor S³ nejdříve testován v protiatomovém krytu, kde je snížený alespoň počet mionů, pocházejících z vysokoenergetického kosmického záření. Stínicí účinek krytu pro miony odpovídá 45 m vodního sloupce (podobné podmínky jsou v místnosti pod reaktorem). I toto relativně malé číslo nám ale velmi pomáhá snížit celkový počet detekovaných částic.

Základní stavební element detektoru S³ – polystyrenový plastový scintilátor (40 × 20 × 1 cm) vyrobený firmou NUVIA, a. s. Do scintilačního elementu jsou vlepena vlákna, posouvající vlnovou délku světla do oblasti, ve které je fotosenzor nejcitlivější. Vlákna slouží také k homogennímu sběru světla ze scintilačního materiálu. Detektor S³ se skládá z osmdesáti takových elementů či segmentů. Segmentace detektoru umožňuje lepší identifikaci antineutrin z reaktoru.

Tím se dostáváme k další náročné součásti experimentu, kterou je vyhodnocení naměřených dat. Týdenní měření představovalo asi 6,1 TB binárních dat. Výsledkem bylo, že statistické pozadí představovalo asi 380 událostí. Z toho plyne, že při měření pod reaktorem bude poměr užitečných událostí vůči nežádoucímu pozadí (poměr signál : pozadí) 1,8. I tato zdánlivě nepříliš vysoká hodnota je v částicových experimentech podobného typu považována za velmi dobrou.

Předchůdcem detektoru S³ je detektor DANSS, který je v současné době v provozu v Kalininské jaderné elektrárně, kde zkoumá oscilace neutrin na krátkých vzdálenostech (9 až 12 m od aktivní zóny) a monitoruje reaktor v reálném čase. Detektor S³ představuje jeho vylepšenou a kompaktnější verzi a je jediný svého druhu v České republice. Tento pokročilý detektor je výsledkem mnoha optimalizačních měření a testování, zahrnujících optimalizaci chemického složení scintilačního materiálu, výběr reflexního materiálu, volbu vhodného fotosenzoru, vývoj efektivního systému pro sběr dat a mnoho dalšího.

V České republice je několik jaderných reaktorů, se kterými by bylo možné počítat pro umístění detektoru. Pomineme-li však malé školní reaktory, přicházejí v úvahu prakticky jen reaktory v jaderných elektrárnách Temelín a Dukovany. Detektor S³ byl vyvíjen a konstruován tak, že neobsahuje toxické, hořlavé ani žíravé materiály. Jeho další nespornou výhodou je, že akviziční systém může být umístěn v některé z pomocných místností u reaktoru, takže elektronika nebude vystavena případným vysokým tokům radiace a v nejtěsnější blízkosti reaktoru bude jen samotný detektor, jehož minimalizovaná elektronika je značně radiačně odolná.

Interakce antineutrina v detektoru S³ podle simulace GEANT. Červený obrys naznačuje detektor S³. Čtvereček označuje místo v detektoru, ve kterém došlo k anihilaci pozitronu. Hvězdička naznačuje místo, kde došlo k záchytu neutronu, následované gama kaskádou s celkovou energií 8 MeV. Díky vysoké segmentaci detektoru lze přesně určit topologii události a následně ji vyhodnotit buď jako skutečnou interakci neutrina, nebo jako nežádoucí pozadí.

Nové horizonty neutrinové fyziky

Neocenitelné zkušenosti, které jsme získali při měření s detektorem, nás přivádějí k možným úpravám detektoru do budoucna. Ty nám umožní ještě přesnější měření a přispějí k hlubšímu porozumění chování neutrin a jejich role ve vesmíru. Detektor S³, přestože patří v rodině neutrinových experimentů mezi menší, má potenciál pro instalaci pod reaktorem, což by mohlo vést k novým objevům v oblasti neutrinové fyziky. Objev sterilního neutrina by mohl mít dalekosáhlé důsledky pro fyziku částic a kosmologii. Potvrzení existence těchto hypotetických částic by mohlo reformovat naše současné chápání standardního modelu částicové fyziky. Sterilní neutrina by mohla pomoci osvětlit některé nevyřešené otázky kosmologie, jako je temná hmota vesmíru, a mohla by hrát klíčovou roli v poznání vývoje a struktury vesmíru. Jejich objev by rovněž představoval výzvu pro existující teorie a mohl by podnítit nové experimentální a teoretické přístupy k pochopení fundamentálních fyzikálních zákonů.