No images
 
  • PDF

Katrin CZ

  • Čtvrtek, 03 Říjen 2013 06:31
  • Aktualizováno Čtvrtek, 03 Říjen 2013 07:12
  • Napsal uživatel Administrator

Project                                        KATRIN

 

Cílem mezinárodního projektu KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment) je zvýšit o řád citlivost stanovení hmotnosti elektronového neutrina.

 


Neutrino bylo zavedeno švýcarským fyzikem  Wolfgangem Paulim v roce 1930. Důvod byl následující: 
Při rozpadu beta se jádro s atomovým číslem Z mění na jádro s atomovým číslem Z+1 a vyletí z něj elektron. Nábojová bilance je tedy v pořádku - elektron odnesl jeden záporný náboj a v jádře přibyl jeden kladný náboj. Ale: záhadou bylo spojité energetické rozložení elektronů. Podle zákona zachování energie by měl mít vyletující elektron stále tutéž energii odpovídající rozdílu hmotností mateřského a dceřinného jádra. Ukázalo se však, že tomu tak není - elektron vyletuje s libovolnou energií mezi nulou a tímto rozdílem. Aby byl zachráněn zákon zachování energie - zákon, se kterým současná fyzika stojí a padá - navrhl Pauli, že při rozpadu beta nevyletuje pouze elektron, ale ještě další, elektricky neutrální částice - neutrino. Celková energie rozpadu beta se rozdělí mezi elektron a neutrino a vše je v pořádku.

 

 

V té době to byla samozřejmě jen hypotéza. Na ověření si musela počkat až do r. 1956, kdy američtí fyzikové Reines a Cowan existenci neutrina experimentálně prokázali. Okamžitě po vyhodnocení experimentu oznámili Paulimu telegramem, že existence neutrina byla prokázána.

Otázku, je-li klidová hmota neutrina nulová (jako např. u fotonu) či nenulová, se dlouho nepodařilo zodpovědět. Odpověď na tuto otázku je však nesmírně důležitá pro fyziku elementárních částic i pro astrofyziku a kosmologii. Teoretická fyzika ji dát nemůže, je nutný dostatečně citlivý experiment. Takové experimenty jsou však nesmírně obtížné - na samé hranici současných technických možností. První nepřímý důkaz, že neutrino má nenulovou hmotu, byl dán experimentem Super-Kamiokande v roce 1998 důkazem existence tzv. neutrinových oscilací. (Na vysvětlenou: existují tři druhy neutrin - elektronové, mionové a tauonové, které se mohou za
určitých okolností samovolně "přeměňovat" jeden na druhý - oscilovat.) V roce 2002 byl stejný efekt potvrzen v Sudbury Neutrino Observatory. V prosinci 2002 byla existence oscilací potvrzena experimentem KamLAND též pro antineutrina. V současnosti již o tom, že neutrino má klidovou hmotu nenulovou, nikdo nepochybuje. Otázka však zůstává, jak velká ta hmota je.

Metodou projektu KATRIN je změření koncové oblasti energetického spektra rozpadu beta tritia (těžkého isotopu vodíku s hmotnostním číslem A=3). Pokud má neutrino nenulovou klidovou hmotnost, bude toto spektrum jiné než v případě hmoty nulové. Rozdíly jsou však nepatrné a nároky na citlivost a přesnost experimentu jsou tudíž enormní.

Projekt KATRIN nezačíná na zelené louce. Je v jistém smyslu pokračováním (na vyšší úrovni) již řadu let probíhajících experimentů v Mainzu (SRN) a Troicku (Rusko). Oba tyto experimenty využívají k měření tritiového spektra beta tzv. integrální elektronové spektrometry. Jde o přístroje, v nichž se spojuje dobré rozlišení s vysokou světelností, což je pro měření detailního tvaru konce spektra beta zcela nezbytné.

Experimenty v Mainzu a Troicku určily, že pokud má neutrino nenulovou klidovou hmotnost, je tato menší než 2.2 eV (Mainz) a 2.5 eV (Troick). Další snížení této horní hranice již není v jejich možnostech. Projekt KATRIN počítá se sestrojením spektrometru obdobného typu, ale podstatně větších rozměrů. Pro představu: podle původního návrhu měla být hlavní komora spektrometru válec o průměru 7 metrů a délce přes 20 metrů. (Troický spektrometr má průměr asi 1,3 m a délku 7 m, mainzký pak je ještě o něco menší.) Předběžné výpočty, uvedené v Letter of Intent, ukazují, že takový spektrometr je schopen určit horní hranici klidové hmoty neutrina na úrovni ~0.3 eV. Mezinárodní komise, která v roce 2002 hodnotila návrh experimentu však doporučila, aby byl postaven ještě větší spektrometr, kontrétně o průměru kolem deseti metrů. Po diskusi a důkladném zhodnocení byl tento návrh na zasedání Rady spolupráce v prosinci 2002 přijat. Koncem roku 2004 pak byl sestaven Design Report, 250-stránkový základní dokument projektu.

Projekt je mezinárodní. Jeho iniciátory jsou skupiny fyziků z Mainzu a Troicka, kteří využívají dlouholetou zkušenost v tomto oboru. Dále se účastní velká skupina fyziků z ústavu v Karlsruhe, kde má být celé zařízení postaveno. Ke spolupráci pak byli přizváni i lidé z dalších pracovišť, kteří mohou k řešení daných problémů - kterých je opravdu dost - něčím reálně přispět. Zakládajícími členy spolupráce jsou tato pracoviště:Johannes Gutenberg Universitaet Mainz (SRN), Nuclear Research Institute Troick (Rusko), čtyři různá pracoviště Forschungszentrum Karlsruhe (SRN) [Institut fuer Kernphysik, Institut fuer Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, Institut fuer Technische Physik, Tritium-Labor Karlsruhe], Fachhochschule Fulda (SRN), Universitaet Karlsruhe (SRN), Ústav jaderné fyziky AVČR, v.v.i. (ČR), University of Washington v Seattlu (USA) a Friedrich-Wilhelms-Universitaet Bonn (SRN).

Na 3. plenárním zasedání (Collaboration Meeting) KATRIN (Mainz, 5.-6. prosinec 2002) přijala Rada spolupráce (Collaboration Board) nabídku pracovníků z University of Wales ve Swansea (Velká Británie) přistoupit k projektu KATRIN. University of Wales se tak stala dalším řádným členem projektu. Přidružené členství bylo nabídnuto Spojenému ústavu jaderných výzkumů v Dubně (Rusko).

Jak běží čas, stává se projekt KATRIN zajímavým pro stále více lidí. Na 4. plenárním zasedání KATRIN, které se konalo u nás v Řeži 1.-4. června 2003, jsme mezi námi přivítali jako dalšího člena skupinu ASTEC z Daresbury Laboratory (Velká Británie). V souvislosti s přechodem profesora Weiheimera na Westfaelische Wilhelm-Universitaet v Muensteru (SRN) v roce 2004 se i tato universita účastní projektu, a to nikoliv zanedbatelným podílem. V roce 2007 se k projektu připojil i Massachusetts Institute of Technology.

Počátkem roku 2003 byly publikovány výsledky měření kosmické sondy WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), která - jak již název naznačuje - studuje kosmické mikrovlné záření. Tyto výsledky, kombinovány s výsledky jiných experimentů, naznačují (viz např. zde), že součet hmot všech tří neutrin (elektronového, mionového a tauonového) by měl být menší než 1 eV. To znamená, že hmota elektronového neutrina by měla být v řádu nejvýše desetin elektronvoltu. Je však nutno mít na paměti, že tyto výsledky nejsou modelově nezávislé; naopak jsou založeny na předpokladu platnosti některých kosmologických modelů.

Práce na projektu KATRIN se mezitím nezastavily. Připravují se již části vlastního spektrometru. Pokračují a zpřesňují se různé výpočty, berou se v úvahu všechny možné efekty, které by mohly mít sebemenší vliv na přesnost výsledků. Na základě nejnovějších výpočtů došla Rada spolupráce (na 4. plenárním zasedání KATRIN) k závěru, že je v možnostech experimentu určit horní hranici hmoty elektronového neutrina na úrovni 0.2 eV. To je na stejné úrovni, jako výše uvedené výsledky WMAP, získané však jiným, a navíc modelově nezávislým postupem.

V průběhu roku 2003 byla dokončena stavba "pre-spektrometru" (tj. pomocného 'malého' spektrometru, který bude stát před hlavním spektrometrem). Tento pre-spektrometr je nyní usilovně testován. Na 5. plenárním zasedání (11.-12. prosince v Karlsruhe) byl slavnostně pokřtěn jménem "KATRINKA".

V červnu 2004 se konalo další, už šesté, plenární zasedání. Tentokrát v Moskvě, od 6. do 8. června. Jak je účelem těchto setkání, byla na něm přednesena řada referátů o současném stavu projektu, a byly projednány jak bezprostřední, tak i dlouhodobé úkoly a plány.

Sedmé zasedání spolupráce bylo v listopadu 2004 opět v Karlsruhe. Pomocný spektrometr KATRINKA je nyní instalován ve zkušebním boxu a úspěšně testován. Na další hlavní části (hlavní spektrometr, triciový zdroj) byly uzavřeny smlouvy s výrobci. Projekt pokračuje podle plánu.

Další, osmé, zasedání se uskutečnilo v březnu 2005 v Muensteru. Agenda byla podobná, jako na všech předchozích setkáních - pokrok v jednotlivých dílčích úkolech, hledání možných slabších míst a jejich odstranění atd. Nicméně ukazuje se, že žádné vážnější problémy nevyvstaly.

Setkání se konají pravidelně, víceméně po půl roce. Proto bylo další zasedání v září 2005, tentokrát opět v Karlsruhe. Jako obvykle, program jednání byl velmi nahuštěný. Během tří dnů bylo předneseno 10 plenárních příspěvků a 41 příspěvků ve třech sekcích. Jako vždy, poskytly přehled současného stavu projektu, již vyřešených úkolů i toho, co je potřeba řešit v dalším období. Kromě referátů docházelo - jako vždy na takových setkáních - k řadě diskusí o přestávkách i po skončení oficiálního programu.

Jubilejní - desáté - zasedání se konalo v březnu 2006 ve školicím středisku Internationales Forum Burg Liebenzell, kde to původně všechno začalo - zde totiž proběblo první setkání fyziků navrhujících projekt, a to v lednu 2001. Jedenácté zasedání pak následovalo v září 2006, tentokrát opět v Karlsruhe. Obě setkání se zabývala běžnou agendou. To poslední - v Karlsruhe - však bylo značně ovlivněno příjemnou novinou: hlavní spektrometr je těsně před dokončením, úspěšně proběhly tlakové a vakuové zkoušky komory spektrometru.

Komora spektrometru byla vyrobena v závodě MAN-DWE Gmbh v Deggendorfu a po dokončení ji bylo třeba dopravit do FzK Karlsruhe. Ačkoliv Deggendorf a Karlsruhe jsou od sebe vzdáleny vzdušnou čarou jen asi 300 km, transport ocelového válce o průměru 10 m, délce přes 20 m a hmotnosti 200 tun po silnici nebyl realizovatelný. Proto musela být zvolena doprava po vodě, i když cesta byla poněkud delší - přibližně 9000 km. Vedla po Dunaji do Černého moře, Bosporem do Středozemního moře, přes Gibraltar, pak podél pobřeží Portugalska a Španělska a kanálem La Manche do ústí Rýna a po Rýnu do Leopoldshafen u Karlsruhe (viz mapku). Spektrometr byl naloděn 28. září na říční loď, poté dvakrát překládán na námořní lodě. Kvůli nízkému stavu vody v Rýně musel být na poslední část cesty po vodě použit plovoucí ponton. 25. října dorazil spektrometr do přístavu v Leopoldshafen, odkud zbývalo ještě 7 km cesty po pevnině. Tento nejednoduchý převoz je možno vidět na videoklipu. (Ostatně ani cesta po vodě nebyla úplně jednoduchá: na jednom místě proplouvala horní část spektrometru pouhých 7 cm pod mostem.) Nakonec byl spektrometr uložen na své místo - do budovy, která pro něj byla vybudována. (Podrobnější popis přepravy spektrometru je - v angličtině - zde.) Tak skončila jedna důležitá etapa projektu.

V průběhu roku 2007 se konala opět dvě zasedání spolupráce, v březnu a v říjnu, opět v Karlsruhe. Obě byla věnována běžné agendě; všechny práce probíhají podle programu. Hlavní spektrometr už nepřipomíná obří trubku, jako když byl přivezen, a začíná vypadat jako použitelný přístroj. K 1. říjnu 2009 bylo Forschungszentrum Karlsruhe sloučeno s Universitou Karlsruhe do jednoho velkého výzkumně-vzdělávacího celku, Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Pro projekt KATRIN se tím nic nezměnilo.

Březen 2010: Projekt probíhá svým tempem; jako vždy při takových rozsáhlých projektech dochází k určitému zpoždění proti původním plánům. Hlavní komora spektrometru je již částečně osazena vnitřními elektrodami a obložena vnějšími cívkami, které budou vytvářet potřebné magnetické pole. Byly jisté potíže s dodavatelem tritiového zdroje; ještě sice nejsou zcela vyřešené, ale nehledě na to je jisté, že se stavba přístroje úspěšně blíží svému cíli, to jest skutečnému začátku experimentu.

Duben 2011: Na jaře 2011 proběhlo již 20. zasedání spolupráce KATRIN. Opět v Karlsruhe; pochopitelně, neboť tam se celé zařízení buduje. V současnosti je osazení hlavního spektrometru elektrodami prakticky dokončeno. Předsazený spektrometr ("pre-spektrometr") je přesunován na své místo k hlavnímu spektrometru. Co se týká tritiového zdroje: byl vyroben tzv. demonstrátor, tj. tělo tritiového zdroje bez vodících magnetů a bez aktivní tritiové náplně. Na něm je pečlivě ověřována stabilita teplot, tlaků, proudů atd. Po úspěšných testech bude demonstrátor vrácen do výrobního závodu, kde bude "přetvořen" v plnohodnotný zdroj.

Důležitou událostí bylo též zprovoznění tzv. monitorovacího spektrometru. Jde o malý (cca 3 m dlouhý) spektrometr stejného typu jako hlavní i předsazený spektrometr, který bude sloužit k zabezpečení stability energetické stupnice hlavního spektrometru. (Je to ve skutečnosti ten samý spektrometr, který byl dříve používán k neutrinovým experimentům v Mainzu, ovšem rekonstruovaný a patřičně modernizovaný.)

Jako v každém větším mezinárodním projektu, i v KATRIN vznikají diplomové a doktorské práce i další publikace. Máte-li zájem si prohlédnout jejich (bohužel neúplný) přehled, a případně i text většiny z nich, klikněte zde.

Z našeho ústavu (ÚJF AVČR, v.v.i.) se na projektu KATRIN podílí Skupina elektronové spektroskopie vedená Mgr. Drahoslavem Vénosem, CSc. Činnost skupiny je zaměřena na práce spadající do úkolu projektu KATRIN "Kalibrace a monitorování".
V rámci této činnosti jsou ve skupině vypisována témata pro vypracování bakalářských, magisterských i doktorských prací, vhodná zejména pro studenty zaměření jaderná fyzika a fyzika elementárních částic. Zájemci o uvedené práce jsou vítáni. Bližší informace: tel. 212 241 677, Tato emailová adresa je chráněna před spamboty, abyste ji viděli, povolte JavaScript

Důležitou součástí každého většího projektu je i jeho popularizace. Informace o KATRIN byla odvysílána Českou televizí 24. října 2005 v rámci seriálu České hlavy. O projektu byla uveřejněna zpráva 21. října 2006 v Lidových novinách a 13. října 2006 v Právu (tam bohužel není dostupný archiv). 7. listopadu byl KATRIN věnován hodinový pořad v seriálu 'Vstupte!' na stanici Leonardo Českého rozhlasu. (Několik fotografií z natáčení tohoto pořadu je zde.) 4. prosince 2006 byl v internetovém deníku Neviditelný pes uveřejněn další článek o projektu KATRIN. 8. prosince 2006 - opět v Lidových novinách - se objevila zpráva o úspěšném zakončení přepravy hlavního spektrometru do FzK. Tentýž den byl na stanici Leonardo vysílán devítiminutový telefonický interview s O. Dragounem na totéž téma.

V roce 2007, v lednu, vyšel v Akademickém Bulletinu další článek o projektu. V září 2007 přednesl O. Dragoun v ÚTEF v Praze přednášku, v níž přehledně shrnul nejen fakta o programu KATRIN (vznik, průběh, cíl, současný stav), ale i stručnou historii neutrinové fyziky. Text je k dispozici zde. V listopadu (7. a 28.) pak byly na stanici ČRo 3 (Vltava) odvysílány dva rozhovory s O. Dragounem, Chytí vědci neutrina? a Hmotnost neutrina.

V roce 2008 byl další hodinový pořad opět v pořadu 'Vstupte!', a to 28. ledna. Hned nato, 2. února, byl krátký rozhovor o české účasti v KATRIN na stanici Radio Praha. V březnu byla na Matematicko-fyzikální fakultě Karlovy Univerzity přednesena rozsáhlá přednáška o vývoji a současném stavu projektu KATRIN; její text (v angličtině) je zde. V šestém čísle časopisu Svět pak vyšel další rozhovor "S fyzikem Otokarem Dragounem o hledání, měření a významu nejlehčích částic vesmíru a účasti českých vědců na mezinárodním projektu KATRIN". Koncem roku 2008, 21. listopadu, byl v českém rozhlase, v pořadu "Duše K", opět delší rozhovor s O. Dragounem (zde) a navíc ještě "bonus" (Co se do rozhovoru nevešlo).

19. ledna 2011 byl v programu Milenium (ČT24) odvysílán dvacetiminutový rozhovor s O. Dragounem a M. Mihaljevičem o atomové hmotnosti a projektu KATRIN.

12. listopadu 2012 přednesl O. Dragoun v rámci akce Týden vědy hodinovou popularizační přednášku Tajuplné neutrino.

9. ledna 2013 měl O. Dragoun v Ústavu částicové a jaderné fyziky MFF KU přednášku Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN.


 

Poslední změna 10. ledna 2013, Tato emailová adresa je chráněna před spamboty, abyste ji viděli, povolte JavaScript