Existuje spôsob, ako odhaliť a skúmať procesy prebiehajúce v hlbokom vesmíre? Máme možnosť nazrieť až na jeho okraj? Častica, ktorá nám umožňuje nahliadnuť do nepredstaviteľných diaľok vo vesmíre, je neutríno.
Ľudstvo odpradávna priťahovali tajomstvá vesmíru. Dôkazy o prvých pozorovaniach môžeme vidieť na rôznych jaskynných maľbách, tabuľkách alebo stavbách ako Stonehenge. Už v 17. storočí Galileo Galilei publikoval prvé pozorovania vesmíru pomocou ďalekohľadu. Tieto pozorovania boli založené na sledovaní fotónov s určitou frekvenciou – časticiach viditeľného svetla.
Súčasné technológie nám umožňujú pozorovať nielen viditeľné svetlo, ale aj fotóny s inou energiou, ako napríklad gama žiarenie (ktoré však nedokážeme vidieť voľným okom), čo nám umožňuje pozorovať vzdialenejšie objekty. Aj tieto pozorovania však majú svoje ohraničenia – fotóny môžu byť pohltené alebo rozptýlené na svojej ceste k pozorovateľovi, a preto je informácia, ktorú nesú, skreslená alebo stratená.
Ďalšou možnosťou, ako sledovať procesy vo vesmíre, je detekcia nabitých častíc (kozmické žiarenie), ako sú napríklad elektróny, protóny alebo ťažšie atómové jadrá. Dráhy týchto nabitých častíc sú však zakrivované elektromagnetickými poľami vo vesmíre a nedokážu nám pomôcť lokalizovať ich zdroj, resp. proces, v ktorom vznikli.
Neutríno na scéne
Neutríno je elementárna častica, ktorá patrí k najrozšírenejším vo vesmíre. Jeho história siaha do roku 1930, keď jeho existenciu predpovedal Wolfgang Pauli ako možné riešenie problému s nedodržaním zákona zachovania energie a uhlového momentu v beta premene jadier. Problém spočíval v tom, že samotný W. Pauli predpokladal, že túto časticu nebudeme nikdy schopní experimentálne pozorovať, pretože s ostatnou hmotou nemá takmer vôbec interagovať. No ešte počas jeho života, o 26 rokov neskôr, Frederick Reines a Clyde Cowan potvrdili existenciu častice pozorovaním antineutrín unikajúcich z reaktora. Za tento objav udelili F. Reinesovi v roku 1995 Nobelovu cenu za fyziku.
Existujú tri druhy, tzv. vône, neutrín – elektrónové, miónové a tauónové neutríno, ktoré sú partnermi leptónov – elektrónu a ťažších leptónov – miónu a tauónu. Na rozdiel od elektrónu, miónu a tauónu neutrína nemajú elektrický náboj, a preto sa pri šírení vesmírom ich trajektórie nezakrivujú elektromagnetickými poľami.
Výnimočný nástroj
Skutočnosť, že neutrína interagujú s ostatnou hmotou veľmi slabo, z nich robí výnimočný nástroj na skúmanie vesmíru. Dokážu uniknúť z prostredí s veľkou hustotou, ako sú napríklad centrá hviezd, precestovať obrovské vzdialenosti po nevychýlenej dráhe až k Zemi a priniesť vzácne informácie o tom, aké procesy sa dejú v hlbokom vesmíre. Schopnosť neutrín prenášať neskreslenú informáciu je možné ilustrovať na fakte, že neutríno, ktoré vzniká v Slnku, dokáže prejsť v olove efektívnu vzdialenosť jeden svetelný rok bez toho, aby zinteragovalo.
Detekcia neutrín je v súčasnosti jediným nástrojom, ako poodhaliť tajomstvá vesmíru, ktoré nám žiadna iná častica nedokáže poskytnúť. Ako však môžeme tieto nepolapiteľné častice zachytiť a získať z nich informácie, ak dokážu precestovať nepredstaviteľné vzdialenosti? Prečo by práve naše detektory mali mať túto schopnosť? Odpoveď sa skrýva v hustote prúdu neutrín. Cez cm2, čo je približne špička prstu, nám prejde približne 1010 slnečných neutrín za sekundu. Pri týchto početnostiach a dostatočne veľkých detektoroch dokážeme neutrína detegovať a skúmať ich vlastnosti.
Efekt oscilácií
Ďalšou zaujímavou vlastnosťou neutrín, za odhalenie ktorej v roku 2015 udelili Nobelovu cenu za fyziku Takaakimu Kadžitovi a Arthurovi B. McDonaldovi, je ich oscilácia. Tento kvantovomechanický jav spočíva v tom, že keď sa neutrína šíria vesmírom bez interakcie, menia svoju identitu, pričom oscilujú medzi stavmi – elektrónové, miónové a tauónové neutríno. V rôznych fázach ich existencie môžeme nájsť neutrína v jednom z týchto troch stavov s rôznymi pravdepodobnosťami.
Prvýkrát efekt oscilácie, ktorého existenciu predpovedal v roku 1957 Bruno Pontecorvo, pozorovali v 60. rokoch v Homestake experimente (Brookhaven) zameranom na detekciu solárnych neutrín. Pri reakciách, ktoré prebiehajú v Slnku, vznikajú iba elektrónové neutrína. V experimente však sledovali len tretinu z počtu neutrín, ktoré vznikajú v Slnku. Toto pozorovanie viedlo k mnohým ďalším experimentom, ktoré mali pomôcť objasniť problém solárnych neutrín.
Vyriešenie záhady solárnych neutrín prišlo na začiatku 21. storočia, keď sa potvrdilo, že skutočná príčina deficitu elektrónových neutrín spočíva v tom, že preoscilovali na miónové a tauónové neutrína. Keďže efekt oscilácie neutrín vyžaduje, aby mali nenulovú hmotnosť, potvrdením existencie oscilácií sa dokázalo, že neutrína majú hmotnosť. Určiť skutočnú hmotnosť neutrín však predstavuje výzvu. Doteraz sa o to usilujú mnohé experimenty, zatiaľ však poznáme iba jej horné ohraničenie.
Odkiaľ pochádzajú
Neutrína sú najpočetnejšími hmotnými časticami vo vesmíre a nachádzajú sa všade okolo nás. Tzv. reliktné neutrína vznikli počas prvej sekundy existencie vesmíru po veľkom tresku. V súčasnosti blúdia vesmírom a nesú informácie o jeho raných fázach, na ktoré sa nemôžeme pozrieť pomocou elektromagnetického žiarenia. Sú zároveň jednými z najrozšírenejších elementárnych častíc vo vesmíre. Ich energie sú veľmi malé a nachádza sa ich približne 340 v kubickom centimetri.
Neutrína, ktoré vo veľkej početnosti prilietajú na našu Zem, sú tzv. slnečné neutrína. Vznikajú v jadre Slnka prostredníctvom rôznych fúznych jadrových reakcií, pričom hlavným príspevkom je protónovo-protónový cyklus – dominantný zdroj energie vyžarovanej Slnkom.
Zdrojom neutrín je aj samotný človek, pretože ľudské telo obsahuje približne 20 mg draslíka, ktorý sa prostredníctvom jadrového procesu, beta premeny, mení na vápnik a v tomto procese vznikajú elektrónové neutrína, ktoré sú schopné z ľudského tela uniknúť. Takýmto spôsobom človek dokáže vyprodukovať 300 miliónov neutrín za deň. Ak však zjeme napríklad banán, ktorý tiež obsahuje draslík, počet produkovaných neutrín sa ešte zvýši.
Explózie supernov
Zistilo sa, že takisto výbuchy supernov dokážu produkovať neutrína. V roku 1987 sme po prvýkrát pozorovali výbuch supernovy SN1987A nielen prostredníctvom svetla, ale aj pomocou neutrín. Počas 13 sekúnd sa v štyroch podzemných laboratóriách zaregistrovalo 24 neutrín. Prišli zo vzdialenosti 168-tisíc svetelných rokov. Vedeli sme, že nemohli prísť zo Slnka, lebo jadrové reakcie na Slnku produkujú neutrína s menšími energiami. O pár hodín na oblohe zasvietila superhviezda v spektre viditeľného svetla so silou približne 100 miliónov Sĺnk, ktorá žiarila štyri mesiace. Potvrdilo sa, že ide o ten istý objekt, ktorý vyprodukoval neutrína.
Toto je jeden z prvých prípadov tzv. multiposlovej astronómie (multimessenger astronomy). Táto astronómia spočíva v skúmaní vesmíru pomocou detekcie fotónov rôznych frekvencií, nabitých častíc, neutrín či gravitačných vĺn. Výhodou je, že každý posol prináša unikátnu informáciu o pozorovanom astrofyzikálnom jave.
Neutrína vznikajú v rôznych zdrojoch so širokou škálou energií a prúdov, od tých najmenej energetických reliktných neutrín až po najenergetickejšie astrofyzikálne neutrína. Hustota prúdov neutrín sa významne znižuje so zvyšujúcou sa energiou. Pre vysokoenergetické neutrína sa tiež zmenšuje efektívna dráha. Z toho dôvodu je veľmi náročné ich registrovať. Doteraz nie sú celkom známe zdroje a mechanizmy produkcie tých najenergetickejších neutrín.
Detekcia
Keďže neutrína interagujú s hmotou len zriedka, prostredníctvom slabých a gravitačných síl je náročné ich experimentálne pozorovať. Ako príklad môžeme porovnať častice viditeľného svetla – fotóny s neutrínami. Kým na zastavenie fotónov stačí zastrieť záves, neutríno dokáže preniknúť cez celú Zem.
Na registráciu neutrín sa budujú obrovské detekčné zariadenia umiestnené v podzemných laboratóriách hlboko v šachtách, tuneloch horských masívov, ako aj v hlbinách morí, jazier či ľadu. V týchto ťažko dostupných lokalitách sa detektory budujú z dôvodu odtienenia od slnečného či kozmického žiarenia, ktoré neustále dopadajú na našu Zem.
Konkrétny typ detektora a jeho náplň závisia aj od toho, aké neutrína a s akými energiami chceme pozorovať. Platí, že čím je detektor väčších rozmerov, tým vyššia je pravdepodobnosť detegovať neutríno prostredníctvom interakcie s prostredím detektora. Skúmanie tých najenergetickejších neutrín prichádzajúcich na Zem zo vzdialených astrofyzikálnych zdrojov mimo našej Galaxie je omnoho vzácnejšie, keďže hustoty prúdov týchto neutrín sú veľmi malé. Ich energie môžu byť aj miliónkrát väčšie, než sú najvyššie energie častíc, ktoré je ľudstvo schopné vyprodukovať na unikátnych zariadeniach, akým je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v CERN-e. Na dosiahnutie takýchto vysokých energií by LHC musel mať obvod porovnateľný s obežnou dráhou Merkúra.
Čerenkovovo žiarenie
Na detekciu vysokoenergetických neutrín a identifikáciu ich zdrojov boli vybudované detektory rozmerov na úrovni kubického kilometra umiestnené vo veľkých hĺbkach Stredozemného mora, Bajkalského jazera či ľadu Antarktídy, ktoré svojou konštrukciou vôbec nepripomínajú klasický teleskop. Plánuje sa aj budovanie ďalších teleskopov v Tichom oceáne a Juhočínskom mori.
Voda alebo ľad slúžia ako priehľadné médium detektora na šírenie Čerenkovovho žiarenia, ktoré vzniká prostredníctvom častíc produkovaných v reakciách neutrín s hmotou, keďže neutrína nie je možné registrovať priamo. Čerenkovovo žiarenie je typ elektromagnetického žiarenia, ktoré vzniká, keď nabitá častica prechádza látkou rýchlejšie, než je rýchlosť svetla v danom prostredí. Tento proces je ekvivalentný známemu sonickému tresku, ktorý môžeme pozorovať pri lietadle pohybujúcom sa vyššou rýchlosťou, ako je rýchlosť zvuku vo vzduchu.
Čerenkovovo žiarenie vytvára charakteristické záblesky modrého svetla, ktoré následne môžu v detektore registrovať optické moduly – oči teleskopu. Optický modul tvorí sklená sféra. Jeho najdôležitejšou súčasťou je fotonásobič slúžiaci na zaznamenávanie a zosilnenie svetelných signálov Čerenkovovho žiarenia. Fotonásobič môžeme prirovnať k opačnej žiarovke v tom, že jeho hlavnou funkciou je premena svetelného signálu na elektrický. Signály sú po registrácii spracované elektronikou a odosielajú sa do centrálneho počítačového systému, kde sa následne môžu zrekonštruovať smer a energia neutrína. Optické moduly sú vertikálne rozmiestnené na zvislých lanách (tzv. stringoch), a tak vytvárajú gigantickú sieť na detekciu neutrín.
V Bajkalskom jazere…
Pozoruhodným neutrínovým teleskopom je experiment Baikal-GVD ponorený v najväčšom sladkovodnom jazere na svete Bajkal. Detektor sa nachádza v hĺbke približne 750 až 1 300 m, kam už slnečné lúče nepreniknú ani napriek vysokej čistote vody jazera.
Výhodou pri budovaní detektora Baikal-GVD je, že jazero na konci januára v jeho juhozápadnej časti, kde je umiestnený neutrínový teleskop, zamŕza na obdobie dvoch mesiacov, čo uľahčuje inštaláciu nových optických modulov či opravu už existujúcich častí detektora. Pri každoročnej zimnej expedícii sa objem detektora postupne zväčšuje, čím sa plánuje dosiahnuť objem na úroveň jedného kubického kilometra.
Predchodca experimentu Baikal-GVD (NT-200) v jazere Bajkal je výnimočný tým, že v roku 1996 sa mu podarilo ako prvému neutrínovému teleskopu detegovať atmosférické neutríno.
… aj v antarktickom ľade
Jedným z významných neutrínových teleskopov, ktorý sa buduje v extrémnych podmienkach južného pólu, je IceCube Neutrino Observatory. Antarktický ľad, ktorý je miestami hrubý tri kilometre, je v takýchto hĺbkach veľmi čistý, a tak umožňuje šírenie Čerenkovovho svetla niekoľko stoviek metrov bez absorpcie. IceCube sa nachádza približne v 1 450 až 2 450 m hĺbke antarktického ľadu, do ktorého je vyhĺbených niekoľko desiatok jednokilometrových vrtov a do nich nainštalovaných 5 160 optických modulov. Vedci pracujúci na IceCube musia zároveň čeliť aj mnohým výzvam, ako sú veľmi nízka teplota dosahujúca priemerne -49,5 stupňa Celzia, polárna tma či vysoká nadmorská výška.
Napriek všetkým obťažnostiam sa experimentu IceCube podarilo niekoľko významných objavov vo svete neutrínovej fyziky. V roku 2013 združenie inštitúcií z rôznych krajín sveta spolupracujúcich na tomto experimente ohlásilo prvé experimentálne pozorovanie prúdu vysokoenergetických kozmických neutrín pochádzajúcich zo zdrojov mimo našej Slnečnej sústavy. Druhým významným objavom bolo identifikovanie konkrétneho zdroja zaregistrovaného vysokoenergetického neutrína. Zdrojom bol žiariaci blazar, obrovská eliptická galaxia so supermasívnou čiernou dierou v jej strede, ktorá z pólov emituje vysokoenergetický prúd fotónov a elementárnych častíc. Minuloročným prelomovým pozorovaním sa stalo aj detegovanie neutrín pochádzajúcich priamo z Mliečnej cesty, čo umožnilo po prvýkrát skúmať našu Galaxiu nielen prostredníctvom fotónov.
So slovenskou účasťou
V hlbinách Stredozemného mora je ponorený experiment KM3NeT. Tento neutrínový teleskop je rozdelený na dve časti, pričom každá je zameraná na inú oblasť výskumu neutrín. Prvá časť teleskopu s názvom ARCA sa nachádza 100 km od sicílskeho pobrežia v hĺbke 3,5 km a zaoberá sa štúdiom astrofyzikálnych neutrín. Druhá časť, ORCA, sa buduje približne 40 km od mesta Toulon vo Francúzsku v hĺbke 2,5 km a venuje sa skúmaniu oscilácií neutrín. Inštalácia optických modulov neutrínového teleskopu KM3NeT sa uskutočňuje pomocou lodí a pokročilými hlbokomorskými prístrojmi.
Na tomto významnom európskom projekte na detekciu neutrín sa svojou činnosťou podieľa aj tím slovenských vedcov z Univerzity Komenského. Venujú sa analýze dát z detektora, jeho kalibrácii a simuláciám. Na Ústave technické a experimentální fyziky Českého vysokého učení technického v Prahe sa v súčasnosti buduje jedno zo siete európskych laboratórií na štúdium optických modulov experimentu KM3NeT. Na tejto výstavbe, ako aj na samotných meraniach s optickými modulmi, sa aktívne podieľajú.
Fedor Šimkovic, Rastislav Dvornický, Eliška Eckerová, Zuzana Bardačová
Univerzita Komenského v Bratislave
