Fyzmatik | Podmořský detektor neutrin Antares spuštěn

Neutrina jsou částice, které patří mezi leptony bez elektrického náboje. Neinteragují s látkou ani silně ani elektromagneticky a proto látkou většinou procházejí. Neutrina poznáme ve 3 variantách – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.

Neutrino elektronové vzniká spolu s pozitronem při slabých rozpadech. Jde o částici velmi malé hmotnosti, která interaguje s hmotou jen slabou interakcí, snadno proto hmotou proniká. Jeho existenci předpověděl Pauli v roce 1930 na základě analýzy beta rozpadu. Název neutrino mu dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (z italštiny neutrino znamená malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolině

Neutrino mionové doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili L. M. Lederman, M. Schwartz a J. Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenu (USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988.

Neutrino tauonové doprovází tauon (supertěžký elektron) při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT.

Název detektoru připomínající hvězdu Antares ze souhvězdí Štíra, je ale zkratkou z anglického "Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch". Detektor byl postaven na dně Středozemního moře, v hloubce 2,5 km, kde je většina ostatních částic odstíněna mohutným sloupcem vody. Detektor je zejména citlivý na mionová neutrina s vysokou energií, při jejichž slabé interakci s látkou vznikají miony s rychlostí převyšující rychlost šíření světla ve vodě. Za těchto podmínek se za nabitými miony táhne kužel Čerenkovova záření, které může být detekováno 1000 fotonásobičů umístěných na svislých strunách pod mořskou hladinou. Detektor je umístěn přibližně 25 km od francouzského pobřeží, v blízkosti města Toulouse. Struny nesoucí fotonásobiče jsou zakotvené na mořském dně a vznášejí se do výše 400 metrů nade dnem, kde jsou ukončeny bójkou. Celkově je jich 12 na ploše 0,1 km². Každá struna je rozdělena na 25 úseků (podlaží), vzdálených 14,5 metru. Na každém podlaží se nachází řídicí modul a optický modul složený ze tří skleněných koulí. Koule jsou schopné odolat tlaku až 600 barů (mohly by být ponořeny až do hloubky 6 km.) V  kouli je fotonásobič, ale také další senzory, pomocná elektronika vyhodnocující tvar zachyceného signálu a vysokonapěťový zdroj pro fotonásobič. Datové a napájecí kabely ze všech podlaží struny jsou svedeny do řídicího modulu, který je umístěn na mořském dně u zakotvení struny. Odsud jsou kabely vedeny do spojovacího modulu, ze kterého vede 40 km dlouhý elektrooptický kabel do pobřežní stanice. Na mořském dně jsou také kontejnery s bateriemi.

Výhoda neutronových  detektorů proti jiným astronomickým technikám spočívá v tom, že mohou pozorovat vesmír nepřetržitě,  nezávisle na počasí nebo fázi Měsíce. Detektor ANTARES je schopen sledovat prostorový úhel 3,5π steradiánu, tj. většinu oblohy (plný úhel je 4π sr).

Stavba detektoru započala ponořením první pokusné struny o délce "jen" 250 metrů již v roce 1996. Po řadě experimentů byla 17. března 2005 ponořena testovací struna v místě stavby budoucího detektoru ANTARES. První kompletní struna detektoru byla ponořena 14. února 2006 a první data poskytla 2. března 2006. Pak stavba pokračovala relativně rychle. Druhá struna byla ponořena 21. září 2006. V průběhu roku 2007 byly ponořovány další a další struny. Noření strun probíhalo z paluby lodi, na dně moře byl umístěn robot, který strunu ukotvil a připojil její kabely k spojovacímu modulu. Stavba celého detektoru byla dokončena 30. května 2008. Detektor má celkem 13 strun, z toho 12 měřicích a jednu pomocnou. První signál byl zaznamenán několik hodin po připojení posledních dvou strun. Po třech týdnech provozu se ale detektor 24. června 2008 odmlčel. Selhal systém dodávání energie. Defekt byl nalezen ve vzdálenosti 23 km od pobřeží a vadná část kabelu vyměněna. 6. září byl obnoven definitivně provoz detektoru, který se stal největším podmořským detektorem neutrin na světě

Většina astronomických pozorování využívá elektromagnetické spektrum. Fotony ale interagují s látkou v nitru hvězd nebo jsou absorbovány mezihvězdným prachem. Fotony s vysokou energií interagují i reliktním zářením  a infračerveným zářením pozadí. Informace o některých jevech (termojaderné reakce hvězd) jsou tak v elektromagnetickém záření buď zcela nedostupné nebo velmi zkreslené.

Neutrina interagují s látkou velmi slabě, procházejí k nám i z nejvzdálenějších zákoutí vesmíru a přinášejí cenné informace o zajímavých procesech, při kterých vznikají. Typickým příkladem mohou být závěrečné fáze života hvězd. Hmotné hvězdy na konci života často explodují jako supernovy a v jejich nitru vznikne neutronová hvězda nebo černá díra. Oba procesy jsou doprovázeny vznikem neutrin. Umírající hvězda vyšle neutrinový záblesk v okamžiku, kdy se v jejím nitru za obrovského tlaku hojně přeměňují jádra na neutrony. Poprvé byl tento typ neutrin pozorován při explozi supernovy SN 1987A. Méně energetická neutrina vznikají i po celou aktivní dobu života hvězd – v jejich nitrech při termojaderné fúzi. Pro nás je nejbližším takovým zdrojem nitro  Slunce. Neutriny jsou doprovázeny i některé gama záblesky. Další neutrina vznikají přímo v horních vrstvách atmosféry při interakci částic kosmického záření  s vysokou energií s jádry atomů atmosféry. Pozorování těchto neutrin přináší cenné informace o kosmickém záření. Neutrina doprovází procesy v aktivních jádrech galaxií. Celý vesmír je ponořen do moře reliktních neutrin, která se oddělila od látky přibližně jednu sekundu po vzniku vesmíru. Neutrina tvoří horkou část temné hmoty Mohou se ale objevovat i jako důsledek projevů chladné temné hmoty. Částice chladné temné hmoty  jsou gravitačně stahovány do středů planet, hvězd i galaxií, kde vytvářejí velmi husté oblasti, které mohou opět produkovat neutrina. Zdá se, že všude kolem nás je dosud neobjevený svět neutrinové astronomie, jehož okno se nám právě otevírá.

upraveno podle Petra Kulhánka
domovská stránka projektu: antares.in2p3.fr/...