Měření experimentu KATRIN zpřesnila horní hranici hmotnosti neutrin

Mezinárodní projekt KATRIN, kterého se účastní také zástupci české vědy, přinesl další milník ve výzkumu neutrin, obtížně detekovatelných subatomárních částic s mimořádně nízkou interaktivitou. Dosud nejdokonalejší metoda měření zpřesnila horní hranici jejich hmotnosti na 0,8 elektronvoltu a výsledek byl publikován na obálce vědeckého časopisu Nature Physics.

Nejnovější měření, k nimž se pod záštitou experimentu KATRIN zapojilo na sto padesát fyziků a inženýrů ze šesti zemí, překonala ta předešlá z roku 2019. Na světově ojedinělém projektu se podílí významně česká strana, mezi jeho zakladatele i aktivní účastníky patří vědci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Nepolapitelná částice
Neutrina jsou subatomární částice hmoty, jejichž existenci poprvé předpověděl roku 1930 Wolgang Pauli.

Jsou hned po fotonech druhou nejrozšířenější částicí v kosmu. Takzvaná reliktní neutrina jsou pozůstatky z doby počátků vesmíru a vyplňují celý jeho prostor. „Každým čtverečným centimetrem našeho těla prochází každou sekundu asi šedesát miliard neutrin, aniž bychom je jakkoli registrovali, a hladce procházejí i naší planetou,“ popisuje výskyt a chování částic Ondřej Lebeda z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. „Důvodem je jejich nízká reaktivita, nepodléhají totiž ani elektromagnetické, ani silné interakci.“

Zdrojem neutrin jsou termonukleární reakce ve hvězdách, vznikají také při výbuchu supernov a při interakcích kosmického záření se zemskou atmosférou. Najdeme je i v nitru Země, kde se tvoří v horninách při radioaktivním rozpadu některých radionuklidů. I přes to, jak jsou neutrina rozšířená, je jejich měření obtížné. Jen minimálně interagují s jinými částicemi a k jejich zkoumání je zapotřebí složitých a mimořádně citlivých měřicích přístrojů.

Z výsledků předešlých experimentů, které byly v roce 2015 oceněny Nobelovou cenu za fyziku, je zřejmé, že neutrina mají nenulovou klidovou hmotnost. Standardní model částicové fyziky však nevyžaduje, aby tato částice nějakou hmotnost měla. Dodnes také není jasné, proč je tak nepatrná. Určení hmotnosti by mohlo vést k upřesnění fyzikálních představ o kvantovém mikrosvětě.

Znázornění hlavních částí experimentálního komplexu KATRIN a jeho úloha při měření hmotnosti neutrina.

Měření jedinečné ve světovém měřítku
Jedním z přístrojů, který neutrina zkoumá, je KATRIN, sedmdesátimetrové zařízení vybudované v Technologickém institutu Karlsruhe (KIT), které zahájilo činnost v roce 2018. Komplexní systém, určený ke zkoumání energetického spektra elektronů z rozpadu tritia, představuje dosud nejpřesnější metodu pro měření hmotnosti neutrina. První výsledky na sebe nenechaly po spuštění dlouho čekat a odborné publikace se dočkaly o rok později.

Druhá série dlouhodobých měření proběhla za lepších podmínek a přinesla přesnější výsledky. Vědecký tým porovnal naměřené spektrum s hodnotami, které předpovídala teorie, a došel ke světově nejlepšímu výsledku m < 0,9 eV. Při využití výsledků z první série měření z roku 2019 pak v kombinaci s novými údaji stanovil horní hranici hmotnosti neutrina na 0,8 eV, a to se statisticky 90procentní jistotou. Elektronvolt je energeticky vyjádřená jednotka hmotnosti, která odpovídá 1,8×10⁻³⁶ kg. Používá se k měření velmi malého množství energie, například právě v částicové fyzice. Ve výzkumu neutrin je významné každé zpřesnění horní hranice jejich hmotnosti, a to i v řádu pouhé desetiny elektronvoltu.

Současná měření jsou přímá. „Na rozdíl od takzvaných kosmologických měření, kde je hmotnost neutrina odvozena jako parametr kosmologického modelu, se měření KATRIN opírá pouze o zákony zachování energie a hybnosti aplikované na rozpad tritia,“ zdůrazňuje jedinečnost současného výsledku Ondřej Lebeda.

Na křivce historie měření neutrin je patrný moment, kdy se podařilo překonat symbolickou hranici jednoho elektronvoltu.

Významné zlepšení měřicích podmínek
V přípravě experimentu se mezinárodnímu týmu vědců podařilo zvýšit intenzitu kryogenního tritiového zdroje záření beta na čtyřnásobek oproti první sérii měření. Díky tomu o čtvrtinu snížili hodnotu rušení pozadí. Aparatura nyní pracuje na samé hranici technických možností. „Z šedesáti miliard elektronů, které tritiový zdroj emitoval v každé sekundě sedmisetpadesátihodinového měření, byly vybrány čtyři miliony elektronů, které umožnily zkoumat hmotnost neutrina s bezprecedentní citlivostí,“ popsal měření Magnus Schlösser z KIT, jeden z jeho koordinátorů. Spolehlivost zjištěných hodnot potvrdily tři nezávislé skupiny vědců, které porovnávaly dílčí výsledky s predikcemi s přesností na desetiny procenta.

Na zvýšení citlivosti přístrojů se přímo podíleli vědci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. „Navrhli jsme, vyrobili a v mnoha měřeních ověřili dva typy zdrojů konverzních elektronů pro experiment KATRIN. Oba emitují několik skupin elektronů konstantní, přesně známé energie, které se hodí ke kalibraci,“ popisují spolupráci na projektu Drahoslav Vénos a Ondřej Lebeda z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Stručně řečeno – česká strana v projektu zajišťuje vysoce kvalitní kalibrační standard, který významně přispívá ke spolehlivosti určované hmotnosti.

Částice klíčová pro výzkum vesmíru
Neutrina hrají v teoriích o vzniku a fungování vesmíru klíčovou roli a současná teoretická fyzika se na popis a zdůvodnění jejich vlastností zaměřuje. Každé zpřesnění má zásadní dopad na fyziku, kosmologii i výzkum vesmíru. Umožní navrhovat detailnější a spolehlivější modely kosmických objektů a jevů a zpětně mapovat minulost vesmíru až k velkému třesku. „Určení hmotnosti neutrin také významně přispěje k pochopení povahy temné hmoty ve vesmíru a role neutrin. Další experimenty řeší otázku existence takzvaného sterilního neutrina,“ hodnotí význam bádání v tomto oboru Otokar Dragoun z Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Výsledky jsou důležité také pro pokračování výzkumu neutrin. Spektrometr KATRIN bude v měření pokračovat až do roku 2024. Podle odborníků můžeme očekávat, že se do konce tohoto desetiletí podaří prozkoumat řadu dalších klíčových vlastností těchto částic.

Více o neutrinech a české účasti na jejich výzkumu se dozvíte na stránkách časopisu A/Věda a výzkum:

1/2020 (verze k listování)
1/2020 (verze ke stažení)

Text: Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: KATRIN, Technologický institut v Karlsruhe; Ústav jaderné fyziky AV ČR

Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• V Praze odstartovala největší mezinárodní konference o materiálovém modelování
• Z čeho se skládá kosmické záření? Napoví přelomová metoda českého fyzika
• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun