Měření hmotnosti neutrina

Neutrina jsou nejpočetnější hmotné částice ve vesmíru. Oscilační experimenty prokázaly, že neutrina vznikající v procesech slabých interakcí jsou kvantově mechanickou superpozicí tří stavů s hmotnostmi m₁, m₂ a m₃. Prokázaly též, že hmotnost nejméně jednoho z těchto stavů je větší než 0,05 eV. Z přesného měření tvaru koncové části spektra beta tritia, radioaktivního izotopu vodíku, se podařilo určit horní hranici hmotnosti elektronového antineutrina m_ν < 2 eV. Tento výsledek je modelově nezávislý, opírá se jen o zákony zachování energie a hybnosti. Z kosmologických pozorování lze odvodit součet m₁+m₂+m₃ < 0,7 eV, avšak z různých modelů i souborů dat vycházejí i značně větší či menší hodnoty. Za předpokladu, že v přírodě existuje dvojný bezneutrinový rozpad beta, lze z měření jeho poločasu také odhadnout hmotnost neutrina. Výsledek však silně závisí na předpovědích jaderných modelů.

Ve snaze dovést měření spektra beta tritia na samou hranici současných možností vznikl v roce 2001 mezinárodní projekt KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment, http://www.katrin.kit.edu). Zakládajícími členy jsou fyzikové z Německa, Ruska, USA a ÚJF AV ČR. Cílem experimentu je desetinásobné zvýšení citlivosti k hmotnosti mν na 0,2 eV. Ve srovnání s dosud nejlepšími experimenty to vyžaduje stonásobné zvýšení intenzity zkoumaných částic beta a pětinásobné zlepšení energetického rozlišení při zachování co nejnižšího pozadí.

Celý měřící komplex KATRIN je instalován v Karlsruhe Institute of Technology (SRN), aby mohl využívat tamní unikátní tritiovou laboratoř. Ta dodává plynné molekulární tritium do šestnácti metrového bezokénkového tritiového zdroje, který je se svými pěti sty senzory ‒ a teplotou −243 °C stabilizovanou na ± 0.03 °C ‒ zřejmě dosud nejsložitějším kryostatem. Tritiový zdroj dodává 10¹¹ částic beta za sekundu, jejichž pohyb v celém komplexu je určen polem téměř třiceti supravodivých magnetů.

Energetickou analýzu částic beta provádí elektrostatický retardační spektrometr s adiabatickou magnetickou kolimací (tzv. MAC-E filtr). Díky tomuto principu je při vynikajícím rozlišení 0,93 eV (pro energii 18,6 keV) analyzováno 18 % z celkového počtu částic beta emitovaných do plného prostorového úhlu. K dosažení těchto parametrů jsou nezbytné velké rozměry hlavního spektrometru (délka 23 m, průměr 10 m). Spektrum je měřeno bod po bodu změnou retardačního napětí v oblasti 18,6 kV, které je stabilizováno s relativní přesností ± 3×10⁻⁶.

Nízkoenergetickou část beta spektra, která nenese o hmotnosti neutrina žádnou informaci, odstraňuje menší předsazený spektrometr téhož typu. Nedílnou součástí systému KATRIN je monitorovací spektrometr, který pomocí vhodné linky konverzních elektronů (Obr. 1.) nezávisle kontroluje stabilitu energetické stupnice hlavního spektrometru. Na konci celého 70 m dlouhého systému KATRIN je umístěn polovodičový detektor elektronů složený ze 148 nezávislých pixelů.

Obr. 1. Spektrum monoenergetických elektronů emitovaných z atomové slupky K plynného kryptonu při vnitřní konverzi jaderného přechodu 32 keV v ^83mKr změřené hlavním spektrometrem KATRIN. Funkce, jejíž integrál popisuje očekávaný tvar spektra, je zobrazena čárkovaně. Plná čára ukazuje výsledek statisticky věrohodného fitu.

V rámci projektu KATRIN jsme zodpovědní za kontrolu stability energetické stupnice hlavního spektrometru a též za ověřování činnosti celého systému, speciálně i činnosti tritiového zdroje. K tomuto účelu jsme na bázi rozpadové řady ⁸³Rb/^83mKr/⁸³Kr vyvinuli radioaktivní zdroje monoenergetických konverzních elektronů dvou typů: pevný zdroj s vynikající energetickou stabilitou 0,5 ppm/měsíc pro monitorovací spektrometr a plynný zdroj s aktivitou 1 GBq pro ostatní účely. Potřebný isotop ⁸³Rb vyrábíme na cyklotronu ÚJF. Rozhovor o české cestě ke KATRIN je zde.

V červnu 2018 proběhla inaugurace experimentu KATRIN. Krátce předtím bylo změřeno první spektrum beta se zkušebním množstvím tritia (Obr. 2.). V říjnu byla úspěšně vyzkoušena cirkulace našeho plynného ^83mKr v tritiových smyčkách. Na jaře 2019 bude ^83mKr cirkulovat společně s tritiem, aby se prozkoumal možný prostorový náboj ve zdroji částic beta. Poté začne soustavné měření spektra beta tritia pro stanovení hmotnosti neutrina. Plánovanou citlivost 0,2 eV bychom měli dosáhnout za 1000 měřících dnů, tj. za pět kalendářních let.

Obr. 2. Horní část spektra beta testovacího množství plynného molekulárního tritia změřeného hlavním spektrometrem KATRIN. Plná čára popisuje fit očekávaného tvaru spektra za předpokladu nulové hmotnosti neutrina.

Vědečtí pracovníci

• Mgr. Drahoslav Vénos, CSc. (Vedoucí skupiny)
• Ing. Otokar Dragoun, DrSc.
• Ing. Alojz Kovalík, DrSc.
• doc. Ing. Ondřej Lebeda, Ph.D.
• RNDr. Miloš Ryšavý, CSc.

Postdoktorand

• Ing. Martin Suchopár, Ph.D.

Kontaktní osoba

• Mgr. Drahoslav Vénos, CSc. (venos@ujf.cas.cz)