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 v dosavadních experimentech určit horní hranici hmotnosti elektronového antineutrina m_ν < 2 eV (5 miliontin hmotnosti elektronu). Použitá metodika je modelově nezávislá, opírá se jen o zákony zachování energie a hybnosti. Z kosmologických pozorování lze odvodit součet m₁+m₂+m₃ < 0,2 eV, avšak z různých modelů i souborů dat vycházejí i značně větší či menší hodnoty. Třetí možnost stanovení hmotnosti neutrina se opírá o předpoklad existence dvojného bezneutrinového rozpadu beta. Z měření jeho poločasu byl stanoven horní limit na hmotnost v intervalu 0,036-0,156 eV v závislosti na předpovědi jaderných modelů.

Ve snaze dovést měření hmotnosti neutrina ze spektra beta tritia na samou hranici současných možností vznikl v roce 2001 mezinárodní projekt KATRIN (KArlsruhe TRitium Neutrino experiment) KIT - KATRIN. Zakládajícími členy jsou fyzikové z Německa, Ruska, USA a ÚJF AV ČR. Cílem experimentu je téměř desetinásobné zvýšení citlivosti na stanovení hmotnosti na 0,3 eV. Ve srovnání s dosavadními nejlepšími experimenty to vyžaduje stonásobné zvýšení intenzity zkoumaných částic beta a 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 −193 °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 velmi dobrém rozlišení 2,8 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. Na konci celého 70 m dlouhého systému KATRIN je umístěn polovodičový detektor elektronů složený ze 148 nezávislých pixelů.

V rámci projektu KATRIN jsme zodpovědní za kalibraci 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 plynný radioaktivní zdroj monoenergetických konverzních elektronů s aktivitou až 10 GBq. Potřebný isotop ⁸³Rb vyrábíme na cyklotronu ÚJF (Obr. 1.). Dále jsme vyvinuli příslušný injektor plynného ^83mKr a úzce spolupracovali při jeho implementaci u tritiového zdroje KATRIN (Obr. 2.). První komplexní zkoušky s tímto zdrojem proběhly v červenci 2017.

Obr. 1.: Terč T4 pro výrobu ⁸³Rb v reakci ^natKr(p, xn)⁸³Rb na svazku protonů (energie 24 MeV) urychlovače TR-24. Chlazení oken pro vstup protonů zajišťuje cirkulace plynného helia. Produkční komora terče je chlazena vodním oběhem. Za jednu hodinu ozařování se v terči vyrobí ⁸³Rb s aktivitou 120 MBq.

Obr. 2.: Zařízení pro injekci ^83mKr z našeho zdroje do tritiového okruhu KATRIN a žlutý kontejner pro transport zdroje. Z důvodu radiační bezpečnosti se zařízení nachází uvnitř vakuově uzavřeného boxu (na obrázku uprostřed). Vlevo je skříň s rozvodem elektrického napájení a kontroler pro ohřev pece zařízení.

V červnu 2018 proběhla inaugurace experimentu KATRIN. V říjnu byla úspěšně vyzkoušena cirkulace našeho plynného ^83mKr v tritiových smyčkách. Na jaře 2019 byl poprvé aplikován ^83mKr z našeho zdroje společně s tritiem s cílem prozkoumat prostorový náboj ve zdroji částic beta. Poté se rozběhlo, obvykle ve 3 několika měsíčních kampaních ročně, soustavné měření spektra beta tritia pro stanovení hmotnosti neutrina. Tyto kampaně byly prokládané měřeními s elektrony z našeho zdroje. Už spektrum záření beta naměřené v první kampani snížilo limit na hmotnost neutrina téměř faktorem 2 (Obr. 3.). Nedávné vyhodnocení spekter z kampaní 1-5 poskytlo nový limit m_ν < 0,45 eV. Limitní citlivost bychom měli dosáhnout za plánovaných 1000 měřících dnů v rámci 18. kampaně koncem roku 2025.

Obr. 3.: Energetické spektrum elektronů z beta rozpadu tritia získané v 1. kampani měření v roce 2019 (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. Uvedený limit na hmotnost byl získán porovnáním naměřených dat s teoretickým modelem spektra se zahrnutím vlastnosti zařízení a vlivu pozadí měření.

Komplex KATRIN bude využit v letech 2026-2028 v experimentu TRISTAN (TRitium Investigation on STerile to Active Neutrino mixing), jehož cílem je prokázaní existence předpokládaného sterilního neutrin s hmotou několik keV. Tato neutrina by představovala významný příspěvek pro vysvětlení zatím hypotetické temné hmoty ve vesmíru. Přislíbili jsme připravovat naše zdroje i pro tento experiment. Od roku 2029 je plánován, opět víceletý, experiment KATRIN++. S využitím tritia uváděného do atomárního stavu a metodiky měření diferenciálního beta spektra dosáhne citlivost na stanovení hmotnosti neutrina 0.04 eV. Příprava na oba tyto experimenty je v běhu již několik let.    

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)
Ing. Otokar Dragoun, DrSc. (emeritní vědec)
prof. Ing. Ondřej Lebeda, Ph.D.
Mgr. Jan Ráliš, Ph.D.

Kontaktní osoba

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