Experiment NOvA

NOvA je neutrinový experiment ve Fermilab, USA, který studuje neutrina; jejich oscilace, hierarchii hmot a narušení CP symetrie.

Neutrina - tyto všudypřítomné a přesto záhadné částice - prolétávají běžnou hmotou tak snadno, jako by tam téměř ani nebyla. Právě jejich neochota s čímkoli interagovat přiměla vědce postavit obří detektor o průřezu 16 x 16 m, délce 65 m a váze 14000 tun do cesty svazku neutrin generovaného v laboratoři Fermilab. Detektor je umístěn ve vzdálenosti 810 km od zdroje neutrinového svazku. U samotného zdroje je umístěn menší, 300 tunový detektor, který měří kvalitu svazku a zastoupení jednotlivých typů neutrin. Odsud pak svazek samotný prochází pod povrchem Země do vzdáleného detektoru v Ash River v Minnesotě.

Nabírání dat započalo již v únoru 2014, v době, kdy stavba obřího detektoru byla v plném proudu. Díky tomu bylo možné otestování všech systémů detektoru již během stavby a krátce po dokončení konstrukce, v listopadu 2014, byl naplno spuštěn kompletní experiment.

Neutrina jsou nejpočetnějšími hmotnými částicemi ve vesmíru, ale stále o nich mnoho nevíme. Dnes jsou známé tři typy neutrin – elektronové, mionové a tauonové. Tato neutrina mají nenulovou hmotnost, přibližně jsou známy i absolutní hodnoty rozdílů těchto hmotností, ale nevíme, které z nich je nejtěžší a které nejlehčí. Určení této hierarchie hmot je jedním z cílů experimentu NOvA a zároveň i důležitým testem teorií popisujících původ hmotnosti neutrin. Zatímco slavný Higgsův boson pomáhá vysvětlit, jak některé částice získávají svou hmotnost, vědci stále neví, zda se tento mechanismus týká i neutrin.

V experimentu NOvA jsou tak každou sekundu z Fermilabu vyslány biliony převážně mionových neutrin směrem k detektoru v Minnesotě. Pokud by se neutrina po cestě neproměňovala, tedy tzv. neoscilovala, experimentátoři by měli v nabraných datech (polovina roku 2015) vidět signál od 201 mionových neutrin. Zachyceno jich bylo ale jen 33, což svědčí o tom, že mionová neutrina cestou do vzdáleného detektoru zmizela – přeměnila se na ostatní dva typy. Toto dokazuje i fakt, že bylo pozorováno 6 interakcí elektronových neutrin, ačkoliv se očekávala pouze interakce jedna.

Tyto oscilace byly pozorovány i jinými experimenty s dlouhou oscilační základnou jako třeba T2K v Japonsku či MINOS ve Fermilabu. NOvA, která bude nabírat data nejméně šest let, však toto pozorování provedla ve výrazně kratší době, což je dobrým znamením pro naplnění ambiciózních plánů na změření vlastností neutrin, které ostatním experimentům zatím unikaly.

Jedním z důvodů pro tento rychlý postup je perfektní práce týmu starajícího se o hlavní urychlovací systém ve Fermilabu. Díky tomu se podařilo dosáhnout výkonu neutrinového svazku 521 kWv roce 2015, což je světový rekord, a v laboratoři se pracuje na jeho dalším zvyšování pro projekty jako NOvA či připravovaný „Deep Underground Neutrino Experiment” (DUNE). Předpokládá se, že výkon neutrinového svazku dosáhne 700 kW v roce 2016, což umožní zvětšit frekvenci zaznamenaných dat.

Další zásadní informací, kterou se experiment NOvA pokouší získat, je měření hierarchie hmot neutrin což je klíčová informace pro neutrinové experimenty pokoušející se určit, zda neutrino je svou vlastní antičásticí.

Experiment NOvA může, tak jako T2K, běžet v antineutrinovém módu, což by mohlo pomoci zjistit, zda se neutrina fundamentálně liší od antineutrin. Tento rozdíl mohl na počátku historie vesmíru vychýlit ručičku vesmírné rovnováhy ve prospěch hmoty a vytvořit tak svět, který nyní pozorujeme. Již brzy budou vědci schopni zkombinovat neutrinové výsledky získané experimenty T2K, MINOS a NOvA a dostat přesnější odpovědi na klíčové otázky týkající se těchto stále záhadných částic.

Členy NOvA kolaborace je 210 vědců a inženýrů z 39 institucí z USA, Brazílie, České Republiky, Řecka, Indie, Ruska a Velké Británie. Z České Republiky se experimentu NOvA účastní výzkumné týmy Českého vysokého učení technického, Fyzikálního ústavu Akademie věd a Univerzity Karlovy za podpory MŠMT ČR. Fyzikální ústav AV ČR se podílel na výstavbě detektoru, uvádění do provozu a podílí se na provozu, údržbě a analýze dat. V letech 2014 – 2015 fyzik FZÚ zodpovídal za nepřetržitou funkci detektoru a nerušený záznam dat. Tato pro experiment klíčová zodpovědná práce je významným oceněním naší spolupráce. Dále dodáváme do experimentu výpočetní kapacity z Regionálního výpočetního centra pro fyziku částic umístěného ve FZÚ v rozsahu 1 500 současně běžících úloh pro zpracování dat.