Jak fungují detektory neutrin a co nám odhalují?
Neutrinové observatoře nesbírají světlo vzdálené hvězdy do zrcadla. Čekají, až neutrino vzácně zareaguje s látkou a vzniklé částice zanechají měřitelnou stopu. Led v Antarktidě nebo velká nádrž vody v japonském podzemí se tak stávají součástí vědeckého přístroje.
© / kredit: USGS / Earthquake Hazards Program · Zdroj · · Public domain · Úpravy: zmenšení bez výřezu, doplnění rámečku a kreditu mimo obraz.
Proč musí mít neutrinová observatoř tak velký objem
Neutrina jsou elektricky neutrální částice, které s běžnou látkou reagují velmi málo. Většina jich prolétne Zemí bez pozorovatelné události. K zachycení vzácných interakcí proto potřebujeme velké množství vhodné látky a citlivé senzory.
V tomto tématu sledujeme dvě konkrétní observatoře: IceCube a Super-Kamiokande. Pracují s různými energiemi a zdroji neutrin, takže se jejich výsledky doplňují. Podrobné vlastnosti neutrin a změny jejich druhu tvoří samostatné téma; zde se zaměříme na zařízení a jejich signály.
IceCube: přístroj hluboko v antarktickém ledu
IceCube leží u stanice Amundsen–Scott na jižním pólu. Základní pole optických senzorů je rozmístěno zhruba mezi hloubkami 1 450 a 2 450 metrů v objemu přibližně kubického kilometru ledu. Fotografie povrchové budovy proto ukazuje jen provozní zázemí, nikoli samotný citlivý objem.
Neutrino může zareagovat v ledu nebo v okolní hmotě a vytvořit elektricky nabité částice. Vzniklé elektricky nabité částice mohou vydávat Čerenkovovo světlo. Je to záření vznikající při průletu nabité částice průhlednou látkou rychleji, než se v ní šíří světlo — podobně jako nadzvukové letadlo vytváří rázovou vlnu ve vzduchu. Ve vodě nebo ledu se světlo šíří pomaleji než ve vakuu, takže částice může tuto místní rychlost překonat, aniž by porušila mezní rychlost světla ve vakuu.
Co se dozvíme z časů jednotlivých záblesků
Senzory zaznamenají množství světla i čas jeho příchodu. Z prostorového a časového vzoru se rekonstruuje událost: někdy protáhlá stopa, jindy spíše kompaktní sprška částic. Množství a rozložení světla pomáhá odhadnout energii události.
Obtížné je odlišit kosmická neutrina od neutrin a mionů vznikajících v zemské atmosféře. Pomáhá geometrie události, její energie, výběr počátečního bodu i směr průletu.
Jednotlivý senzor zachytí jen světelný signál. Teprve spojením údajů z mnoha senzorů — zejména časů příchodu a množství zachyceného světla — vědci rekonstruují průběh události a odhadnou, ze kterého směru neutrino přiletělo. Tento směr pak porovnávají s polohami možných zdrojů na obloze a s pozorováními dalších observatoří. Určit konkrétní zdroj však není vždy možné: záleží na přesnosti určení směru i na dalších dostupných důkazech.
Super-Kamiokande: světelné stopy v japonské vodní nádrži
Super-Kamiokande je v dole Kamioka u města Hida v Japonsku, přibližně 1 000 metrů pod povrchem. Jeho velká nádrž obsahuje asi 50 tisíc tun vody a na stěnách jsou světelné senzory. Skalní nadloží omezuje rušení kosmickým zářením.
Také zde se zaznamenává Čerenkovovo světlo druhotných nabitých částic. Pozorují se mimo jiné neutrina ze Slunce, zemské atmosféry a urychlovačových svazků. Měření atmosférických neutrin sehrála zásadní roli při průkazu jejich oscilací, tedy změn mezi neutrinovými druhy. Zařízení může zachytit i neutrinový záblesk blízkého výbuchu supernovy.
Které otázky o vesmíru tyto observatoře řeší
Vysokoenergetická neutrina z kosmu pomáhají hledat místa, kde se urychlují částice na mimořádné energie. Jejich směr nemění magnetická pole tak jako u elektricky nabitých částic. Proto lze neutrinové události porovnávat s pozorováním světla a dalšími posly.
Neutrina ze supernov zase nesou informace o kolabujícím jádru hvězdy. Měření vlastností neutrin doplňuje kosmologické odhady jejich vlivu na vznik struktur. IceCube ani Super-Kamiokande však přímo nemapují reliktní neutrinové pozadí z raného vesmíru: jeho dnešní energie jsou pro tyto observatoře příliš nízké. Neutrinové měření a mapa reliktního světla jsou odlišné druhy pozorování.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Pozorování vesmíru nemusí znamenat fotografii. Neutrinová observatoř převádí vzácnou interakci částice na záblesky a z nich teprve skládá informace o zdroji. Každý krok má své měřitelné možnosti i omezení.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)