Nejpřesnější měření neutrin v Daya Bay

Výzkum přeměn neutrin by měl podle očekávání vědců přispět k zodpovězení základních otázek fyziky.

U čínského zálivu Daya Bay, přibližně 55 kilometrů severozápadně od Hong Kongu, zkoumá vědecký projekt přízračné, těžko polapitelné částice zvané neutrina. Dnes vědci z experimentu Daya Bay oznámili nové výsledky měření neutrin, které dláždí cestu dalšímu výzkumu a potvrzují jedinečnost tohoto projektu.

Nejnovější výsledky zahrnují měření, která sledují, jakým způsobem neutrina během svého života mění svůj typ, někdy též nazývaný vůně (anglicky flavor). Tento jev se označuje jako oscilace neutrin. Zkoumáním těchto oscilací mohou vědci určit dvě vlastnosti neutrin: jejich směšovací úhel a rozdíl kvadrátu hmotností.

Měření těchto parametrů v experimentu Daya Bay je tím nejpřesnějším na světě poté, co faktorem dva zlepšilo přesnost výsledků publikovaných začátkem roku 2014. Nové výsledky zveřejnil prestižní časopis Physical Review Letters.

„Momentálně jsme se posunuli z fáze objevování do fáze přesného měření,“ říká prof. Rupert Leitner z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, vedoucí české skupiny, která se na projektu podílí. Experimentu se celkem účastní více jak 200 vědců ze sedmi zemí.

„Je velmi důležité změřit směšovací úhel a rozdíl hmotností neutrin co nejpřesněji,“ upozorňuje Mgr. Viktor Pěč, doktorand MFF UK, „protože vlastnosti neutrin by mohly být klíčem k porozumění asymetrii mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru.“

Měnící se neutrino

Neutrino se svojí oscilací odlišuje od ostatních elementárních částic (fotonu, elektronu, kvarku atd.). Neutrina se vyskytují ve třech „vůních“ – elektronové, mionové a tauonové. A na své cestě díky kvantově mechanickým efektům mezi sebou oscilují. To znamená, že pokud neutrino začne jako elektronové, může se po nějaké době změnit například na tauonové. Jak ale pokračuje dál, opět se začne projevovat spíše jako elektronové. Jak čas plyne, tyto přeměny se opakují znovu a znovu a tyto oscilace jsou pak charakterizovány svojí velikostí, amplitudou, a frekvencí, podobně jako například u zvukových vln.

Amplituda oscilací neutrin dává vědcům informaci o tom, v jaké míře se neutrino transformuje na jiný typ, a popisuje se takzvaným směšovacím úhlem. Frekvence oscilací pak zase dává informaci o rozdílech hmotností neutrin.

Síť na neutrina

Aby bylo možno studovat oscilace neutrin, ponořili v projektu Daya Bay celkem osm detektorů do tří velkých podzemních bazénů. Tato detekční zařízení jsou umístěna v různých vzdálenostech od šesti reaktorů jaderné elektrárny čínské energetické společnosti China General Nuclear Power Group. Reaktory produkují stálý tok elektronových antineutrin, která se v případě tohoto experimentu projevují stejně jako elektronová neutrina. Z každého reaktoru vylétá tisíce trilionů (10²¹) antineutrin každou vteřinu. Detektory následně registrují, jak moc se elektronová antineutrina změnila na jiný typ.

Na základě dat nabraných během 217 dní s šesti funkčními detektory a 404 dní se všemi osmi detektory tým vědců určil velikost jednoho ze směšovacích úhlů, označovaného théta13 (čti théta-jedna-tři), s přesností dvakrát větší než jejich předchozí výsledek. Podobného zlepšení se dočkala i hodnota rozdílu kvadrátu hmotností.

„Teď, když máme tolik dat a naše detektory fungují perfektně, dosahujeme přesnosti měření, která bude mít zásadní vliv na budoucí neutrinové experimenty,“ říká další člen českého týmu z MFF UK Mgr. Bedřich Roskovec a dodává, že tato měření podporují v současnosti používaný model se třemi typy neutrin.

Experiment Daya Bay pokračuje v registraci reaktorových antineutrin. Na konci roku 2017 bude mít přibližně čtyřikrát více dat a bude moci dále zlepšit přesnost určení jak směšovacího úhlu théta13, tak příslušného rozdílu kvadrátu hmotností. Tou dobou budou všechny směšovací úhly a rozdíly kvadrátů hmotností známy s přibližně stejnou přesností, okolo tří procent.

Jedinečná přesnost plynoucí z velkého množství dat umožňuje zkoumání dalších jevů. Tým vědců hledá stopy existence takzvaných sterilních neutrin, hypotetického typu neutrin, který by se mohl mísit se třemi typy doposud známými. Pokud by se takový náznak opravdu objevil, vědci by museli rozšířit zažitý model se třemi neutriny. Soubor dat s největším počtem registrovaných reaktorových neutrin je ideální pro hledání nové fyziky za hranicemi současných znalostí.

„Experiment Daya Bay zkoumá neutrina, aby mohl poskytnout hlubší porozumění základních principů fyziky,“ uzavírá Ing. Vít Vorobel, Ph.D., z MFF UK.

- tisková zpráva -
kontakt: Mgr.Viktor Pěč