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 neutrinových 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 m_ν 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 šestnáctimetrového 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 kruhový 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 10 GBq pro ostatní účely. Potřebný isotop ⁸³Rb vyrábíme na cyklotronu ÚJF. První komplexní zkoušky KATRIN s těmito zdroji proběhly v červenci 2017. V roce 2018 byl celý systém vyzkoušen plynnou směsí 99 % deuteria a 1 % tritia. Analýza prvních pěti měřících kampaní s tritiem z období 2019 - 2021 vyústila ve snížení horní hranice na hmotnost neutrina na 0,45 eV se statistickou věrohodností 90 %. Plánovanou citlivost 0,2 eV bychom měli dosáhnout za 1000 měřících dnů, tj. za pět kalendářních let.

Obr. 2. Energetické spektrum elektronů z beta rozpadu tritia, měřeného 561 hodin. Chybové úsečky každého z měřených bodů jsou pro názornost zobrazeny s 50násobným zvětšením. Plná čára ukazuje předpovězený tvar spektra odpovídající nulové hmotnosti neutrina. První výsledek KATRIN byl získán porovnáním naměřených dat s teoretickým modelem zahrnujícím vlastnosti experimentálního zařízení a vliv pozadí. 

Rozhovor o české cestě ke KATRIN najdete zde.

Článek Vladimíra Wagnera o prvním fyzikálním výsledku KATRIN, včetně reportáže televizního kanálu ČT24 z 23. 9. 2019, najdete zde.

Rozhlasový pořad o elektronové spektroskopii a účasti ÚJF AV ČR v projektu KATRIN najdete zde.

Vědečtí pracovníci

• Mgr. Drahoslav Vénos, CSc. (Vedoucí skupiny)
• doc. Ing. Ondřej Lebeda, Ph.D.
• Ing. Otokar Dragoun, DrSc. (emeritní vědecký pracovník)

Kontaktní osoba

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