Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 39 – vyšlo 2. října, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2020

DUNE – podzemní hrátky s neutriny

Petr Kulhánek

NeutrinaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. jsou částice, které dlouhodobě přitahují pozornost fyziků i široké veřejnosti. Jejich schopnosti jsou neuvěřitelné: bez větších problémů projdou vaším tělem i celou Zemí, za letu se přeměňují jedno na druhé a mají nejmenší hmotnost ze všech známých hmotných částic. Jen objevení neutrina trvalo od předpovědi jeho existence dlouhých 26 roků. Dnes je na světě několik desítek sofistikovaných detektorů zkoumajících podivné chování těchto poslů z mikrosvěta. Před čtrnácti dny jsme psali o detektoru neutrin JUNO, jehož stavba vrcholí v Číně (viz AB 37/2020). Dnes se podíváme na opačný konec světa, do Spojených států, kde se připravuje podzemní experiment DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), v němž budou neutrina posílána z FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. do 1 300 kilometrů vzdáleného detektoru v podzemní laboratoři SURFSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility.. Těch 1 300 kilometrů neutrina prosviští pod povrchem Země, podobně jako tomu bylo v evropském experimentu CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso. (viz AB 46/2005, 45/2010, 37/2011), v němž ale neutrina létala pod zemí „jen“ 732 kilometrů. Nový experiment bude schopen zkoumat oscilace neutrin s nevídanou přesností a bude dalším krokem k pochopení této pro nás zatím stále záhadné elementární částice.

Hluboko pod zemí bude experiment DUNE zachytávat jak neutrina přilétající
z Fer­mi­labu, tak i z vesmíru. Zdroj: Symmetry/Sandbox Studio/Ana Kova.

Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. SURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility. Neutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.

Historie projektu

Posílání neutrin mezi dvěma podzemními laboratořemi se už zkoušelo dříve. Připomeňme například evropský projekt CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso., v němž byla neutrina generovaná v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. posílána do největší podzemní laboratoře na světě v italském Gran SassuLNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Národní laboratoř Gran Sasso. Byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla, přibližně 120 km od Říma. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m². Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty.. Celkem neutrina proletěla pod zemí 732 kilometrů a detektor Opera jako první nalezl v roce 2010 i oscilace na tauonové neutrinoNeutrino tauonové – doprovází tauon (supertěžký elektron) při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT (Do Nu Tau). Z objevitelského týmu jmenujme alespoň Phillipa Marvina Yagera a Vittorio Paoloneho., které je mimořádně obtížně polapitelné. Nově připravovaný americký experiment má kořeny v roce 2014, kdy byla založena kolaborace LBNE (Long Baseline Neutrino Experiment, neutrinový experiment s velmi dlouhou základnou). Tato kolaborace měla ovšem jepičí život, rozpadla se hned o rok později. Současná kolaborace vznikla v roce 2017 a má dvě části. První má označení LBNF (Large Baseline Neutrino Facility) a má za úkol posílání neutrin z Fermilabu a zajištění veškeré podpůrné infrastruktury. Druhá část, kolaborace DUNEDUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, neutrinový experiment budovaný od roku 2017 v hloubce 1,5 kilometru pod zemí v Jižní Dakotě ve Sanfordově laboratoři, na místě slavného detektoru Homestake. Detektor bude mít čtveřici subdetektorů zásobených neutriny z 1 300 kilometrů vzdáleného Fermilabu. Se zprovozněním se počítá v roce 2027., naopak zajišťuje postavení nového detektoru v Sanfordově laboratořiSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility., který bude neutrina přijímat.

Neutrinový svazek bude vysílán po jednotlivých pulzech z FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií., americké národní laboratoře se sídlem v Batavii (Illinois) na předměstí Chicaga. Kontinuální provoz není možný, protože je třeba v mezičasech chladit útlumový člen, v němž neutrina po dopadu protonů vznikají. Pouhých 575 metrů od zdroje neutrin bude blízký detektor s kapalným argonem, který bude sledovat skladbu a energii vypouštěných neutrin. Neutrinový svazek bude nasměrován do 1 300 kilometrů vzdáleného Leadu (Jižní Dakota), kde se nachází největší americká podzemní laboratoř SURFSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility.. Právě v ní, na místě slavného detektoru HomestakeHomestake – první detektor neutrin byl postaven v opuštěném zlatém dole v Jižní Dakotě. Šlo o vodorovně uloženou válcovou nádobu naplněnou 615 tunami tetrachloretylenu. Detektor byl uveden do provozu v roce 1967 za vydatného přispění R. Davise. Administrativně spadá pod Brookhavenské laboratoře. Jde o chlorový detektor slunečních neutrin. Jeho činnost byla ukončena v roce 1993., se buduje detektor DUNEDUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, neutrinový experiment budovaný od roku 2017 v hloubce 1,5 kilometru pod zemí v Jižní Dakotě ve Sanfordově laboratoři, na místě slavného detektoru Homestake. Detektor bude mít čtveřici subdetektorů zásobených neutriny z 1 300 kilometrů vzdáleného Fermilabu. Se zprovozněním se počítá v roce 2027., který bude neutrina přijímat. Uprostřed letu budou neutrina 30 kilometrů pod zemí.

Neutrina proletí za pouhé čtyři  milisekundy pod zemí 1 300 kilometrů z Fermilabu
(Batavia, Illinois) do laboratoře SURF (Lead, Jižní Dakota). Podklad: Mapy.cz.

Kolaborace DUNEDUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, neutrinový experiment budovaný od roku 2017 v hloubce 1,5 kilometru pod zemí v Jižní Dakotě ve Sanfordově laboratoři, na místě slavného detektoru Homestake. Detektor bude mít čtveřici subdetektorů zásobených neutriny z 1 300 kilometrů vzdáleného Fermilabu. Se zprovozněním se počítá v roce 2027. je zcela mimořádná svým rozsahem. Je v ní zastoupeno 32 zemí, přes 170 vědeckých ústavů a přes 1 000 vědeckých pracovníků. Například v článku [6] má seznam autorů a jejich institucí úctyhodných šest stran. Z České republiky se experimentu zúčastňuje jedno oddělení Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky. Fyzikální ústav je součástí konsorcia pro fotodetekční systém a má na starosti nákup, testování a dodávku křemíkových fotonásobičů pro první detektor experimentu.

Rozšiřování dutiny pro budoucí detektory DUNE (budou čtyři) v podzemní laboratoři SURFSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility. začalo v roce 2017 a mělo by být hotovo v roce 2021. Celkem bude vyvezeno 870 000 tun zeminy. V médiích se uvádí, že to odpovídá dvěma newyorským budovám Empire State Building, ale není jasné, zda hmotnostně či objemově. První ze čtyř detektorů by měl být zprovozněn v roce 2024 a první experimenty by se měly rozběhnout v letech 2026 až 2027, kdy protony dopadající do útlumového členu vytvoří neutrinový svazek o výkonu 1,2 megawattu. Kolem roku 2030 se počítá s dvojnásobnou intenzitou svazku neutrin, tedy 2,4 megawattu. Už první verze z roku 2026 bude vytvářet nejintenzivnější svazek neutrin na světě, který umožní dosud neproveditelné experimenty. Zatím nejintenzivnější svazek neutrin je vytvářen na japonském experimentu J-PARC. Tamní neutrinový svazek má výkon 750 kW a letí do vzdálenosti 295 km. Pro srovnání: známý svazek neutrin CNGSCNGS – Cern Neutrinos to Gran Sasso. putující pod povrchem země 732 kilometrů z CERNu do italského detektoru Opera v Gran Sasso měl výkon 510 kW.

Nic není ponecháno náhodě, proto se v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. staví dva prototypy budoucích detektorů, které nesou označení ProtoDUNE. První prototyp je v provozu od roku 2018 a ověřuje detekce různých částic vznikajících v detektoru při interakcích protonů z urychlovače SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír).. První varianta prototypu je jednofázová, což znamená, že se částice detekují pouze uvnitř kapalného argonu. Prototyp druhé varianty, dvoufázové, se v současnosti staví a bude detekovat částice jak v kapalném argonu, tak v plynu nad ním. V experimentu DUNE budou v prvním období dva jednofázové detektory, jeden dvoufázový a jedna zatím prázdná hala pro poslední detektor.

Experiment DUNO. Vývoj pravděpodobnosti zachycení jednotlivých druhů neutrin
v závislosti na prolétlé dráze. Zdroj: Fermilab.

Jak bude experiment probíhat?

Na počátku celého experimentu je protonový urychlovač ve FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií., který právě prochází rozsáhlou rekonstrukcí s označením PIP-II (Proton Improvement Plan II). Ta by měla být dokončena v roce 2026 a poskytnout protony s energií 80 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a s celkovým výkonem 150 GW. Poté je plánován další upgrade PIP-III (2030). Protony jsou namířeny šikmo pod zem do útlumového členu z grafitu a berylia. V něm při interakci protonů s látkou vznikne řada částic, například pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d., kaonyKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. a různé další hadronyHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou jadernou interakcí. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.. Pokud jsou nabité, lze je do správného směru namířit magnetickým polem. Tyto částice se dále rozpadají a dají vzniknout svazku neutrin, který poputuje do vzdálené podzemní laboratoře SURFSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility.. Obrovský výkon protonového svazku neumožňuje chlazení vodou či vzduchem, jak tomu bylo v jiných podobných experimentech dříve. Útlumový člen je chlazen kapalným héliem, a i tak musí jít jen o pulzní režim s přestávkami, které zajišťují vychlazení útlumového členu.

Neutrina poté projdou blízkým detektorem (575 metrů od zdroje, 680 metrů pod zemí, který detekuje skladbu a energii letících neutrin). Poté letí pod zemí do 1 300 kilometrů vzdálené laboratoře SURFSURF – Sanford Underground Research Facility, podzemní laboratoř v jiho­dakotském Leadu. Jde o nejhlubší laboratoř ve Spojených státech, v níž probíhá 28 experimentů (2020). Laboratoř vznikla v místě zlatého dolu Home­stake, v němž v 60. letech 20. století zprovoznil Raymond Davis slavný chlorový detektor, který zaznamenával sluneční neutrina. Důl byl uzavřen v roce 2002, kdy v něm vznikla laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). V roce 2006 daroval laboratoři Deny Sanford 70 milionů USD a v roce 2007 byla laboratoř přejmenována na Sanford Underground Research Facility. se čtveřicí detektorů DUNEDUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, neutrinový experiment budovaný od roku 2017 v hloubce 1,5 kilometru pod zemí v Jižní Dakotě ve Sanfordově laboratoři, na místě slavného detektoru Homestake. Detektor bude mít čtveřici subdetektorů zásobených neutriny z 1 300 kilometrů vzdáleného Fermilabu. Se zprovozněním se počítá v roce 2027., které budou umístěné 1,5 kilometru pod zemí. Základem každého z detektorů bude komora s 10 000 tunami kapalného argonu. Argon bude vychlazený na teplotu −184 °C, což odpovídá teplotě atmosféry Saturnu. Takové ochlazení detektoru s sebou nese změny délky konstrukčních prvků až o 16,5 centimetru. S tím se samozřejmě musí počítat a konstrukce se chová jako skládačka origami, která se za vyšší teploty roztáhne a za nižší smrští. Některá z přilétajících neutrin budou s argonem interagovat. Možná je celá řada reakcí, z nichž nejpravděpodobnější jsou tyto dvě:

ν_e + ⁴⁰Ar → ⁴⁰K* + e⁻,

ν_e + ⁴⁰Ar → ⁴⁰Cl + e⁺.

Detektor bude sledovat vzniklé elektrony a pozitrony, případně další nabité částice. Do kapalného argonu budou ponořeny klece s vysokým napětím, které mají za úkol způsobit drift nabitých částic. Pohybující se nabité částice jsou poté detekovány sítí vodičů (dopad nabité částice na vodič je vyhodnocován sofistikovanou elektronikou). Detektory budou dvou typů. První z nich je označován zkratkou SP (Single Phase, jednofázový). Nabité částice budou rozpohybovány vodorovně a detekovány pouze v kapalném argonu. Počítá se s driftovou vzdáleností 3,5 metru. Tomu odpovídá při elektrickém poli 500 V/cm napětí katody v urychlující kleci 180 kV. Druhý typ detektoru je označován DP (Double Phase, dvoufázový). Nabité částice v něm budou urychlovány svisle a některé z nich opustí kapalný argon a budou detekovány v plynech nad hladinou. U tohoto typu se počítá s driftovou vzdáleností 12 metrů a při intenzitě pole 500 V/cm s napětím na katodě 600 kV. Tím se experiment DUNE stane experimentem s nejvyšším použitým napětím na světě. Nad hladinou budou umístěny násobiče počtu elektronů LEM (Large Electron Multiplyer). V samotném kapalném argonu budou v obou dvou variantách kromě urychlovacích klecí a detekčních drátů také fotonásobiče zajišťující detekci fotonů. Detektory budou zaznamenávat nejen neutrina přilétající z Fermilabu, ale i neutrina dopadající do detektoru z vesmíru, například neutrina vzniklá při explozích supernov. Detektory DUNE jsou koncipovány jako nízkoenergetické, budou schopny zaznamenávat neutrina s energiemi od 5 MeV do několika desítek MeV s rozlišením energie 10 až 20 %.

Jednotlivé SP či DP moduly budou mít na délku 62 metrů, na výšku 14 metrů a na šířku také 14 metrů. V první fázi (kolem roku 2026) bude mít detektor DUNE tři moduly, dva z nich typu SP a jeden typu DP. Jak jsme se již zmínili, prototyp ProtoDune jednofázového modulu SP je postaven v CERNu a od roku 2018 na něm probíhá měření. Za detekční vodiče posloužilo celkem 24 kilometrů drátu s tloušťkou pouhých 150 μm (dvojnásobek průměru lidského vlasu). Prototyp dvoufázového detektoru se v CERNu právě staví.

Komora detektoru ProtoDUNE testovaného v CERNu. Zdroj: CERN/Fermilab.

Vnitřní část detektoru ProtoDUNE v CERNu. Fotonásobič ponořený do kapalného
argonu je schopen zachytit jeden jediný foton. Zdroj: CERN.

Vznešené cíle

Primárním cílem experimentu DUNEDUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, neutrinový experiment budovaný od roku 2017 v hloubce 1,5 kilometru pod zemí v Jižní Dakotě ve Sanfordově laboratoři, na místě slavného detektoru Homestake. Detektor bude mít čtveřici subdetektorů zásobených neutriny z 1 300 kilometrů vzdáleného Fermilabu. Se zprovozněním se počítá v roce 2027. je samozřejmě měření oscilací neutrin, tj. přeměn jednoho typu na jiný. Tyto oscilace jsou způsobené tím, že každé z neutrin je superpozicí tří hmotových stavů. Z oscilací se dají určit pouze rozdíly druhých mocnin jednotlivých hmotností a tzv. mixážní matice, která určuje zastoupení hmotových stavů v jednotlivých typech neutrin. Dodnes není známa ani hierarchie hmotností, tj. zda pro hmotové stavy platí m₁ < m₂ < m₃, či platí opačná relace. Sledování jemných nuancí v oscilacích neutrin může významně přispět k pochopení chování neutrin. Druhým okruhem problémů bude teorie velkého sjednoceníGUT – Grand Unified Theory, teorie velkého sjednocení. Popisuje sjednocení elektroslabé a silné interakce při energiích 10¹⁶ GeV (GUT škála). Při vyšších energiích než 10¹⁶ GeV existovaly pouze GUT interakce a gravitační interakce. Teorie velkého sjednocení předpovídá zatím nepozorované procesy, jako je například rozpad protonu., která předpovídá rozpad protonu. Detektor DUNE se pokusí hledat projevy tohoto rozpadu a také částice za hranicí standardního modeluStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W⁺,  W⁻, Z⁰) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. elementárních částic, například čtvrtého neutrina. Třetím okruhem je výzkum nezachování CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů., které může být odpovědné za nadvládu hmoty nad antihmotou v našem vesmíru.

Poslední částí nosného programu je sledování explozí supernov. Při těchto explozích vzniká obrovský tok neutrin, který je svědectvím procesů uvnitř hvězdy při jejím závěrečném kolapsu. Za normálního provozu se v detektoru DUNE počítá se záchytem zhruba deseti neutrin za den. Pokud by ale explodovala nějaká supernova přímo v naší Galaxii, například ve vzdálenosti 1 000 parseků, dolétl by k Zemi přibližně deset sekund trvající neutrinový záblesk, z něhož by detektor DUNE zachytil kolem 10 000 neutrin. I na takovýto „nával“ je detektor konstruován. K explozi supernovy by v naší Galaxii mělo docházet zhruba třikrát za století. Zatím jediná neutrina, zachycená ze supernovy, pocházela z exploze, která proběhla v roce 1987 ve Velkém Magellanově mračnuLMC – Large Magellanic Cloud, Velké Magellanovo mračno. Trpasličí souputník naší Galaxie ve vzdálenosti 180 000 l.y. Jde o nádherný objekt viditelný spolu s Malým Magellanovým mračnem na jižní obloze., tedy v sousední trpasličí galaxii. Z této supernovy, označované SN 1987A, bylo zachyceno přibližně 30 neutrin. Pokud by se podařilo zachytit explozi supernovy přímo v naší Galaxii, byl by počet zachycených neutrin obrovský a jejich analýza by výraznou měrou přispěla k našim znalostem závěrečných kolapsů hvězd, při nichž vznikají neutronové hvězdy, nebo černé díry.

Video popisující možnosti podzemního neutrinového experimentu DUNE.
Zdroj: Fermilab, DOE, SURF, CERN, NASA.

Nový detektor by měl rutinně začít pracovat teprve za několik let, ale už dnes se částicoví fyzikové i neutrinoví astronomové těší na zprovoznění tohoto unikátního přístroje. Astronomie viditelného oboru umísťuje nejkvalitnější přístroje vysoko do hor, kde jsou ideální podmínky pro pozorování a řídká atmosféra umožňující i pozorování v blízkém infračerveném a v blízkém ultrafialovém oboru. Neutrinová astronomie a fyzika využívá postup přesně opačný. Své „dalekohledy“ umísťuje hluboko pod zem, kde již neruší pozorování běžné částice, jejichž přítomnost je u těchto experimentů zcela nežádoucí.

Odkazy