Gigantický čínský detektor se pokusí rozluštit záhadu neutrin. Neviditelné částice ukrývají klíč k záhadám vesmíru

Neutrina patří k nejzáhadnějším částicím ve vesmíru. Pohybují se téměř rychlostí světla a dokážou procházet hmotou téměř bez interakce. Přesto hrají podle časopisu Nature klíčovou roli v moderní fyzice. Vědci dnes vědí, že mají nenulovou hmotnost, což je v rozporu se současným modelem částicové fyziky.

Zvláštností neutrin je, že se během letu mohou proměňovat mezi třemi typy, kterým fyzikové říkají „vůně“. Tento kvantový jev, označovaný jako neutrinové oscilace, umožňuje zkoumat jejich hmotnosti a jiné vlastnosti.

Díky mimořádné přesnosti měření by měl experiment JUNO během následujících let pomoci vyřešit jednu z klíčových otázek současné fyziky, určit pořadí hmotností neutrin, a tak přispět k objasnění nevyřešených záhad fyziky a kosmologie, jako je podstata temné hmoty nebo vývoje hvězd a galaxií.

Detektorem je koule vysoká jako desetipatrový dům

Experiment Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) se nachází 700 metrů pod zemí nedaleko města Jiangmen. Hornina totiž slouží jako přirozený štít proti kosmickému záření, které by jinak do měření vnášelo nežádoucí signály, způsobené hlavně miony vznikajícími vysoko v atmosféře.

Související

Radek Chlup

Fyzici poprvé detekovali v urychlovači částic LHC…

Radek Chlup

Podle nové teorie má náš vesmír dvojče, ve kterém…

Srdce experimentu tvoří centrální detektor, akrylová koule vysoká jako desetipatrový dům, naplněná 20 tisíci tunami kapalného scintilátoru. Interakce neutrin sleduje více než 40 000 fotonásobičů, které zaznamenávají slabé světelné záblesky vznikající při záchytu neutrina v kapalném scintilátoru.

JUNO pozoruje především neutrina produkovaná dvojicí jaderných elektráren vzdálených 53 kilometrů, zkoumá ale také neutrina ze Slunce, zemské atmosféry i z nitra Země. Centrální detektor byl spuštěn v srpnu 2025.

Češi monitorují kalibraci fotonásobičů

Na experimentu se podílejí také vědci z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Monitorují kalibraci fotonásobičů mionového detektoru, který je jedním z prvků ochrany hlavního detektoru před nežádoucími signály kosmických mionů. Vyvinuli nejen systém pro kalibraci detektoru, ale prováděli počítačové simulace fyzikálních procesů, testovali fotonásobiče.

Nyní se soustředí na měření optických vlastností kapalného scintilátoru, který je hlavním detekčním médiem JUNO. Přesná znalost parametrů scintilátoru, zejména jeho linearita, je klíčová pro správnou interpretaci naměřených spekter při určování pořadí hmotností neutrin.

Přesné měření neutrinových oscilačních parametrů otevírá dveře testům úplnosti tří-neutrinového modelu (výzkumníci rozeznávají elektronové, mionové a tauonové „vůně“). Výsledky mají důležité důsledky pro výzkum původu hmotnosti neutrin, leptonové směšovací matice a pro bezneutrinový dvojný beta-rozpad.

Kombinací kosmologických pozorování a výzkumu beta-rozpadu poskytne JUNO svými přesnými výsledky výrazné zúžení rozsahu mnohých modelů původu neutrinových hmotností a neutrinového směšování a pro novou fyziku za standardním modelem. JUNO se tak stává zásadním experimentem pro neutrinovou fyziku a neutrinovou kosmologii následujících dekád.

Neutrina voní pokaždé jinak

Neutrina existují ve třech typech „vůní“ – elektronové, mionové a tauonové. Oscilacemi neutrin rozumíme periodické střídání vyšší a nižší pravděpodobnosti zachycení neutrina určité vůně v závislosti na vzdálenosti od jejich zdroje.

Neutrina vzniklá s určitou vůní, například elektronovou, se s určitou pravděpodobností chvílemi „tváří“ jako neutrina s jinou vůní, například mionovou a nejsou tedy pozorovatelná detektorem neutrin s původní vůní.

Tento jev vysvětluje kvantová teorie tím, že neutrino určité vůně nemá jistou hmotnost, ale je směsí stavů s různými hmotnostmi. Neutrinové oscilace ukazují, že neutrina mají nenulové hmotnosti, což je široce přijímáno jako experimentální důkaz fyziky „za standardním modelem“.

Zdroj: Nature, Matematicko-fyzikální fakulta UK