Zahlavi

Zdroj kryptonu z Řeže přispěje k odhalení velké záhady neutrin

16. 04. 2020

Zvláštní elementární částice zvané neutrina svá tajemství vydávají jen pomaloučku a neochotně. Jedno by teď mohl po více než půl století odkrýt mezinárodní experiment KATRIN – a čeští vědci nestojí stranou. V Ústavu jaderné fyziky AV ČR vytvořili a přes obtížnost současné situace nákazy koronavirem dopravili do experimentálního zařízení v německém Karlsruhe důležitý zdroj kryptonu.

Nový silný zdroj plynného kryptonu 83mKr , který vznikl v Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži, je nezbytný pro šedesátidenní měření hmotnosti neutrina v experimentu KATRIN, které v Technologickém ústavu v Karlsruhe právě probíhá.

Tajemná neutrina
Než objasníme, k čemu konkrétně zmíněný zdroj slouží, musíme se blíže podívat na neutrina. Nejprve v jejich existenci skoro nikdo nevěřil. Pak se sice potvrdila, ale předpokládalo se, že jsou nehmotná – opět omyl. Chvilku se dokonce zdálo, že se pohybují nadsvětelnou rychlostí, což zase není pravda. Zato se prokázalo, že dovedou měnit svou podobu jako chameleon barvy. A dodnes se vědci usilovně snaží zjistit jejich hmotnost.

Teoreticky tyto částice předpověděl už v roce 1930 Wolfgang Pauli, když se snažil vysvětlit, proč se při tzv. radioaktivním rozpadu beta naměří méně energie, než by jí podle zákona o zachování energie mělo být. Našel odvážné vysvětlení. Chybějící energii a hybnost s sebou odnáší zatím neznámá elektricky neutrální částice – neutrino. Experimentálně potvrdit jeho hypotézu se však podařilo až za 26 let.


Urychlovač Ústavu jaderné fyziky AV ČR

Dnes už se ví, že zdrojem neutrin jsou termojaderné reakce ve hvězdách, včetně Slunce. Vznikají i při výbuších supernov, při interakcích kosmického záření se zemskou atmosférou, při přirozeném radioaktivním rozpadu některých izotopů v horninách v nitru Země, ale také v jaderných elektrárnách a v urychlovačích částic.

Jak chytit nepolapitelnou částici

Ukázalo se, že neutrina jsou neuvěřitelně početná, ale téměř nezachytitelná – dokážou naprosto nerušeně procházet běžnou hmotou. Třeba jediným čtverečním centimetrem lidského těla proletí bez problému každou sekundu kolem 60 miliard neutrin ze Slunce, aniž bychom cokoli zaznamenali. Překážkou pro ně není ani celá zeměkoule. Kdybychom vyslali ze Slunce určitý počet neutrin a chtěli polovinu z nich polapit, potřebovali bychom olověný absorbátor padesátkrát tlustější, než je vzdálenost od Slunce k Plutu.

Z toho důvodu se k zachycení neutrin musejí stavět obrovské podzemní detektory. „Naštěstí je neutrin tak ohromné množství, že přece jen občas k nějaké interakci neutrina s hmotou dojde. Vznikne při tom elektron nebo jiná elektricky nabitá částice, která se dá v aparatuře detekovat,“ vysvětluje Drahoslav Vénosz Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži.


Drahoslav Vénos z Ústavu jaderné fyziky AV ČR

Vědci tudíž museli vypracovat důmyslné metody, aby alespoň nějaká neutrina polapili. A ještě komplikovanější experimenty, aby odhalili alespoň některé jejich vlastnosti.

Částice s chováním chameleona

V roce 1998 oznámili japonští vědci, že v obří podzemní observatoři Super-Kamiokande objevili udivující jev. Že totiž neutrina, která existují ve třech podobách (jako elektronové, mionové a tauonové), dělají něco v běžných představách nevídaného: samovolně přecházejí z jednoho typu do druhého a zase zpět, podobně jako chameleon mění barvu. Pravda, zákony kvantové mechaniky takové přechody dovolují. Toto „převlékání kabátu“ dostalo název oscilace neutrin. Díky němu bylo rázem jasné, že neutrina – nebo přinejmenším dva z jejich typů – mají nenulovou klidovou hmotnost, jinak by se nemohla takto chovat.

Muší křídlo na kuchyňských vahách

Hmotnost neutrin je však tak nepatrná, že ji zatím ani tři generace vědců nedokázaly přesně změřit. Podle Otokara Dragouna, rovněž z Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži, jsou fyzikové v podobné situaci, jako by měli na kuchyňských vahách určit hmotnost mušího křídla. Ta je zhruba jeden miligram. Na to ale kuchyňské váhy nejsou dost přesné. „Vidíme, že muší křídlo na nich leží, ale nejsme schopni zjistit, kolik přesně váží. Můžeme stanovit pouze horní hranici jeho hmotnosti.“ A stejné to je s neutriny už půl století. „Čím dál dokonalejší přístroje, stále lepší horní hranice hmotnosti, ale dosud žádná číselná hodnota.“


Otokar Dragoun z Ústavu jaderné fyziky AV ČR

Jak zvážit nepatrnou částici

Zatím nejcitlivější – a proto vzbuzující největší naděje – jsou nyní „váhy“ mezinárodního projektu KATRIN neboli KArlsruhe TRItium Neutrino experiment. Experimentální zařízení je obrovské. Celková délka činí 70 metrů, nejdůležitější část – největší speciální elektronový spektrometr na světě – je dlouhý 23 metrů, průměr má 10 metrů a váží 200 tun. K výzkumu neutrin využije plynného molekulárního tritia (což je radioaktivní izotop vodíku 3H), které má pro tyto účely mimořádně vhodné vlastnosti.

U zrodu projektu KATRIN stály v roce 2001 Německo, Rusko, USA, Velká Británie – a také Česká republika. Mezi velkými státy se ocitla díky vynikajícím zkušenostem vědců z Ústavu jaderné fyziky AV ČR v oblasti spektroskopie elektronů a záření gama, radiochemie a přípravy radionuklidů na urychlovačích.

Konstrukce spektrometru s nejlepšími parametry

Jelikož je hmotnost neurin nesmírně malá, musí mít spektrometry k jejímu měření současně vysoké energetické rozlišení a velikou světelnost. Tato kombinace je pro všechny spektrometry svízelná, protože zpravidla mají vynikající jen jednu z obou vlastností. V Řeži jich už v minulosti vytvořili několik různého typu – s jedním pak získali nejlepší energetické rozlišení na světě! A právě to jim otevřelo dveře do prestižního mezinárodního projektu.

Při budování KATRIN se musela vyřešit spousta zcela nových fyzikálních a technických úkolů. Řada součástí se musela teprve složitě vyvíjet. Ať už to byl zdroj plynného tritia, nebo obrovská ultra vysoko vakuová komora největšího spektrometru. Nezbytná byla též unikátní tritiová laboratoř v Karlsruhe. „Komplikovaný byl i vývoj elektronových zdrojů u nás, vymrazovačky na tekutém heliu pro stopové zbytky tritia, elektronového děla, děliče vysokého napětí, čerpacích systémů pro ultra vysoké vakuum, mozaikového detektoru elektronů a výpočetních softwarů,“ popisuje Otokar Dragoun.

Vývoj radioaktivních zdrojů v Řeži

Popis principu, na němž KATRIN pracuje, omezme na konstatování, že se v experimentu neměří neutrina sama, ale elektrony, které vznikají při beta radioaktivním rozpadu tritia. Tritium při něm produkuje elektron a (anti)neutrino a vzniká helium 3He. KATRIN měří právě tyto elektrony, protože jejich počet a energie přímo souvisí s hmotností neutrin. Bohužel energie elektronů přitom není konstantní. „Jenže aby se dala funkce aparatury dobře prověřit, je třeba mít elektrony se stále stejnou energií, takzvaně monoenergetické,“ objasňuje Drahoslav Vénos.

I v tom mají čeští fyzikové velké zkušenosti. Proto dostali za úkol vytvořit radioaktivní zdroj, který dodá tyto elektrony pro kalibraci spektrometru KATRIN a navíc bude dostatečně stabilní v čase.

Podařilo se!
V Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži to dokázali. Vyvinuli dokonce dva různé typy: jednak pevný zdroj s vynikající stabilitou energie elektronů pro monitorovací spektrometr, jednak plynný zdroj používaný v KATRIN na místě tritia k ověřování jak celého systému, tak samotného tritiového zdroje. Právě takový dodali pro současný experiment do Karlsruhe.

Zdrojem elektronů je v obou případech radioaktivní izotop kryptonu 83mKr, který vzniká z rubidia 83Rb. Nedá se použít přímo, protože má poločas rozpadu pouhé 1,8 hodiny. Zmizel by tedy dříve, než by se dostal do Karlsruhe. Rubidium 83Rb má však poločas rozpadu celých 86 dnů, což už je pro dané účely dost dlouhá doba. A rozpadá se právě na 83mKr, takže ho spolehlivě dodává v požadovaném množství po několik měsíců. Potřebný izotop rubidia 83Rb si fyzikové vyrábějí v Řeži ve svých cyklotronech.

Jestliže vědci chtějí získat elektrony z radioaktivního rozpadu, musí vlastní radioaktivní látku vázat na nějaký podklad, substrát. V Řeži měli za úkol najít takový, který by splnil požadované přísné parametry. „Trvalo deset let, než jsme našli a ověřili správné řešení. Teď ho máme, dokonce třikrát lepší než KATRIN požadovala, ale nebyla to jednoduchá cesta,“ přiznává Otokar Dragoun.

Pro plynný zdroj je charakteristické, že na svém substrátu váže rubidium a přitom téměř veškerý vznikající 83mKr ochotně uvolňuje do vakua. „Zařízení umožňující řízenou injekci uvolňovaného 83mKr do tritiového zdroje KATRIN jsme vyvinuli v Řeži,“ připomíná dále Drahoslav Vénos.

Co ukazují vědecká měření

První měsíc trvající měření s tritiem se v projektu KATRIN uskutečnilo na jaře 2019. Jeho analýzou vědci upřesnili horní hranici klidové hmotnosti neutrina na hodnotu menší než 1,1 elektronvoltu. Účastníci projektu věří, že se jim během pěti let podaří ještě víc zúžit hranice, v nichž se může hmotnost neutrin nacházet. Přispějí k tomu i probíhající měření a nový silný zdroj plynného kryptonu 83mKr , který vznikl v Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

O neutrinech a výzkumu vědců z Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži jsme psali v časopise A / Věda a výzkum 01/2020.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR