Reportáž: Podívejte se na místo, kde mohou přepsat učebnice fyziky

Detektor OPERA hluboko pod horou Gran Sasso v Itálii je fyzikální hvězdou posledních měsíců. Na něm vědci údajně naměřili částice pohybující se rychleji než světlo, které se vymykají dnešním fyzikálním představám.
Detektor OPERA v italské laboratoři Gran Sasso

Detektor OPERA v italské laboratoři Gran Sasso | foto: Matouš Lázňovský, Technet.cz

"Všichni, kdo sem přijedou, chtějí mluvit jenom o Einsteinovi," říká trochu nespokojeně fyzik Nicola D'Ambrosio a jeho kolegové přizvukují. Malý Fiat, ve kterém se mačká pět lidí, se za chvíli rozezní hlasitým a trochu zlomyslným smíchem. "A nebo o cestování časem," přidává se k němu jeho drobná kolegyně: "Zřejmě si myslí, že se dá nasednout na neutrino a nechat se svézt do minulosti."

Další se pokouší ještě přisadit, ale představu vystřiženou z příběhu Barona Prášila už nikdo netrumfne, a smích za chvíli ustane. Na jeho místa nastupuje až únava. "Od září tu bylo hodně lidí," říká Nicola D'Ambrosio. "Já už nevím kolik." Na otázku, jestli měli fyzikové od té doby čas na svou vlastní práci, nebo sloužili hlavně jako průvodci, se přímé odpovědi nedočkám. "Jen dělejte svou práci, my to chápeme." Nic víc se nedozvím.

Hlavní vstup do Národní laboratoře Gran Sasso

Přetížené auto mezitím vystřelilo z tunelu na západním úbočí hory Gran Sasso na světlo, a po několika stech metrech znovu brzdí, aby provedlo krkolomný obrat po malém dálničním podjezdu s varovným nápisem "Jen pro vozidla Národní laboratoře Gran Sasso." S motorem řvoucím na plné obrátky se na druhé straně znovu napojujeme na dálnici a vracíme se do nitra hory. Po zhruba dvou třech minutách odbočujeme z hlavního tunelu do menšího, kde nám cestu zahradí kovová vrata.

Za nimi leží umělá jeskyně. A v ní OPERA: detektor, který proslul tím, že údajně zachytil příliš rychlé částice; neutrina, pohybující se rychleji než světlo ve vakuu. Podle obecné teorie relativity by něco takového nemělo být možné. Rychlost světla by měla představovat absolutní hranici, kterou by žádná hmotná částice neměla překročit. Před námi je tedy místo, kde došlo k největšímu fyzikálnímu objevu posledního půlstoletí. Nebo pořádnému omylu.

Vzhůru dolů

To, že k měření rychlých neutrin došlo právě tady, není náhoda. Laboratoř, ve které OPERA stojí, byla určena především ke sledování těchto částic. Zhruba jeden a půl kilometru hornin nad laboratoří je nejlepší možný štít proti kosmickému záření, v jehož neustálém proudu stopy těžko polapitelných neutrin snadno zanikají.

Nákres podoby laboratoře Gran Sasso prozrazuje dobu jejího vzniku (80. léta), ale i tak dává dobrou představu o rozložení laboratoře.

Laboratoř vznikla v podstatě jako druhotný produkt. Důležitý byl především desetikilometrový silniční tunel, který měl spojit východní a západní pobřeží Italského poloostrova zhruba na úrovni Říma. Na konci 70. let přišli fyzikové s nápadem využít stavby k vytvoření unikátní podzemní laboratoře. A dokázali si ho prosadit.

Jeden ze dvou tubusů dálničního tunelu tak zůstal v letech 1982 až 1987 uzavřený veřejnosti. Probíhaly tam práce, které nakonec vedly k vytvoření velkého komplexu chodeb, hal a tunelů. Celkem se muselo vyvézt zhruba 180 tisíc kubíků zeminy (kdyby šlo o rovný tunel o průměru deset metrů, byl by tedy dlouhý asi 2 300 metrů). Náklady na stavbu činily zhruba miliardu českých korun.

Proč se neutrino nenachytá

Neutrina pronikají hmotou bez potíží, protože na ně působí málokterá síla. Nemají elektrický náboj, a tak ignorují elektromagnetické síly. Mají téměř zanedbatelnou hmotnost, takže vliv gravitace na ně je velmi slabý a v našich podmínkách dost možná neměřitelný.

Výjimkou je tzv. slabá interakce, ale ta přijde ke slovu jen když neutrino přímo "trefí" jinou částici. Což se stane málokdy. Pokud tedy chcete chytit neutrino a nemáte zrovna desítky nebo stovky let času, je dobré mít hodně neutrin.

Stavba vznikala pouze z italského rozpočtu. Dnes jsou sice všechny experimenty (celkem jich je v laboratoři 18) hrazeny z rozpočtů evropských institucí nebo vlád zemí, které se na nich podílí, ale samotný provoz laboratoře stále platí Italové. Náklady činí několik milionů eur ročně a v posledních letech se z pochopitelných důvodů stupňuje tlak na jejich snižování. I místní fyzikové říkají, že brzy budou muset zřejmě přijít s nějakými nápady na další úspory energií a jiných nákladů.

Tváří v tvář Opeře

Od vstupních vrat jsme ušli jen pár desítek metrů a jsme v servisním tunelu dost velkém pro nákladní auto. Z něj vedou další naleštěné kovové dveře, tentokrát dvojité. Když se do nich opřeme, ocitneme se u cíle. Jsme v jádru celého komplexu. Před námi leží sto metrů dlouhá, 20 metrů široká a 18 metrů vysoká hala.

"Tak tohle je OPERA," říká Nicola a ukazuje rukou na nesourodý monument, který je dnes všem fyzikům i nadšencům tohoto oboru od pohledu dobře známý: obrovský na bok položený kvádr s žebrovím magnetů a kostiček složených z olova a speciálního fotofilmu. Je dlouhý zhruba 20 metrů, se vším všudy přes deset metrů vysoký a osm metrů široký.

"Támhle odtamtud přilétají neutrina, tím směrem je Ženeva," máchá směrem ke vzdálenější stěně, kterou není vidět kvůli další konstrukci v pozadí. Je to experiment Borexino, který také zachycuje neutrina ze Slunce. Za ním leží skála a o dalších 732 kilometrů dál středisko CERN, zdroj neutrin, která se OPERA snaží zachytit.

Pohled do jedné ze tří hal v laboratoři Gran Sasso dává představu o jejích rozměrech. Tato hala, označovaná jako B (OPERA je v hale A), je zatím nejméně obsazena. Fotografie je pořízena z experimentu ICARUS, který je také určen k detekci neutrin.

Detektor OPERA. Černá "žebra" jsou části obsahující olověné destičky a vrstvy fotofilmu, tedy samotné srdce detektoru.

Jak je chytit?

OPERA jen nepůsobí mohutným dojmem, ona mohutná je, a to z principu. Neutrina jsou částice, které si s běžnou hmotou téměř nezadávají. Díky svým vlastnostem jí obvykle prolétnou. (Mezi CERN a Gran Sasso tedy není žádný tunel.) To ale neznamená, že by si neutrina hmoty vůbec nevšimla. K jejich srážkám s atomovými jádry čas od času dochází. A čím je hmota hustší, tím je pravděpodobnost větší. Proto je velká část experimentu vytvořena z nejdostupnějšího z těžkých prvků: z olova.

"Ze Švýcarska sem přilétají každou vteřinu miliardy neutrin, ale většina z nich detektor mine nebo jím projde," říká D'Ambrosio. Událostí (tak jak fyzikové říkají srážkám neutrin s hmotou), které detektor zaznamená, bývá denně zhruba třicet. Ve skutečnosti je jich o dost více, protože detektor dobře zachytí a zaznamená jen každou zhruba desátou událost.

Detekce událostí probíhá prakticky v reálném čase. Citlivá elektronika sleduje drobné záblesky, které vznikají při dopadu částic na určité části detektoru (tzv. scintilátory). Nejsou to záblesky samotných neutrin, ale částic, které vzniknou při srážkách neutrin s atomy olova (nebo výjimečně jinými částmi detektoru, do kterých neutrina narazí). Někdy také vědci zachytí pozůstatky srážek, ke kterým došlo ještě ve skále před detektorem.

Částice vzniklé z neutrina se dají zaměřit lépe než jejich "rodič". Některé například mají náboj, takže jen tak neprolétnou polem ohromných magnetů, které zabírají výšku celého detektoru. Počítače pak dráhu zaznamenaného částicového "odpadu" vysledují až na místo původní události, a určí tak její přesný čas i místo.

Kraj detektoru, kde jsou pomocné systémy. Zařízení zachycující záblesky...
Konrolní prostor nahoře na detektoru připomíná neodbytně scény ze špatných
Ukázka jedné události na detektoru Gran Sasso. Ve sloupci vlevo je zachycena

"A my všechno pak vidíme tady," říká Nicola D'Ambrosio a předvádí několik na pohled nesrozumitelných nákresů na obrazovce řídícího počítače, ke kterému jsme museli vystoupat až na vrchol detektoru. Po chvíli v něm rozeznávám hrubé schéma Opery a na něm vyznačené stopy směřující k jednomu bodu.

"Tohle je jedna událost, kterou jsme právě zachytili," vysvětluje můj průvodce. "Samozřejmě nevíme jistě, jestli je to úplně správně, ale na to se přijde při další analýze, která se bude dělat později. Při ní dokážeme najít stopy částic vzniklých při rozpadu neutrina," dodává.

Při měření nadsvětelných neutrin byly rozhodující elektronické údaje o přesném místě a času srážky. "Když znáte místo a čas události a vzdálenost, kterou částice uletěla, tak zbytek už je triviální," říká D'Ambrosio. Stačí vše podělit a výsledkem musí být rychlost částice, která do detektoru přiletěla.

Máme to přesně?

Kam dál za neutriny?

Záznam přednášky, ve které tým z experimentu Opera představuje své výsledky kolegům, můžete najít na stránkách organizace CERN zde.

Vědeckou zprávu z experimentu si můžete stáhnout ze serveru arXiv. Je dostupná z této stránky.

Pro úplnost uvádíme i odkaz na tiskovou zprávu střediska CERN zde.

Ovšem ďábel se skrývá v detailech. Měření neutrin v sobě skrývá řadu menších či větších problémů. Částice pohybující se rychlostí světla nepromíjí nepřesnosti. Když se spletete o pár setin sekundy, je o pár tisíc kilometrů dále. A přitom neutrina na světlo (kdyby se na stejné trase pohybovalo ve vakuu) získala během cesty z CERN pouhopouhých 18 metrů.

V Gran Sassu tedy museli usilovat o dokonalost. V první řadě se to týká měření vzdálenosti. "Systém se kalibroval tak, že se na konec dálničního tunelu postavila anténa GPS, a signál se pak převáděl až pod zem," vzpomíná mluvčí laboratoří Gran Sasso Roberta Antoliniová.

Vědci uvádí, že vzdálenost mezi oběma místy změřili s maximální nejistotou na 20 centimetrů, kterou sami nepovažují ze nejlepší možný výsledek. Mohlo by to prý být lepší, kdyby se podařilo na několik dní zavřít i druhý dálniční tunel.

Nevítanou příležitost pro ověření výpočtu jim poskytlo zemětřesení v roce 2009. Na údajích je zcela jasně vidět několikacentimetrový posun zemské kůry.

Údaje z GPS stanice u laboratoře Gran Sasso během zemětřesení v roce 2009, které poničilo město L'Aquila, ukazuje přesnost měření polohy laboratoře. Změna činila v horizontální rovině (dole) zhruba sedm centimetrů, výškově pak jen zhruba dva centimetry. Laboratoř přežila otřesy bez problémů.

Ještě komplikovanější než určení vzdálenosti byla přesná synchronizace času mezi CERN a italskou laboratoří. Bez ní by nebylo možné určit start neutrina. Provádí se také s pomocí navigačního systému GPS, jehož jádrem (byť se to laikům nemusí zdát) je právě přesné měření času.

Dnes jsou k dostání specializovaná zařízení, která pomáhají měřit čas na různých místech pomocí GPS s přesností na drobounké zlomky vteřiny. OPERA například využívá hardware české výroby, z firmy Dicom Uherské Hradiště, který vznikl ve spolupráci s Ústavem fotoniky a elektroniky Akademie věd.

Ale koupit běžný přístroj pro potřeby pokusu nestačilo. "Máme v detektoru spoustu elektroniky, a tak jsme museli proměřit zpoždění na každém prvku a v každém vodiči," říká mluvčí Roberta Antolini. Totéž se týkalo i optických kabelů, kterých jsou v areálu kilometry. "Do všech jsme několikrát pouštěli jen tak laserový paprsek, abychom věděli přesně, jaké v nich nabere světlo zpoždění," říká Nicola D'Ambrosio. Projít a zkontrolovat všechna vedení a elektroniku byla zdlouhavá a mravenčí práce, kterou bylo zapotřebí pro jistotu několikrát opakovat. Ale vědci jsou přesvědčení, že teď jim nemůže nikdo v tomto ohledu nic vytknout.

"Půl roku jsme všechno prověřovali a dospěli jsme k závěru, že oněch šedesát miliardtin vteřiny (o které neutrina údajně předběhla světlo, pozn. red.) nám nikde neuteklo," říká D'Ambrosio. A jedním dechem dodává: "Ale nikdy jsme neřekli, že jsme vyvrátili Einsteina. Prostě jsme měli měření a vyšli jsme s ním ven, aby nám ostatní řekli, jestli jsme někde neudělali chybu.

  • Nejčtenější

Vyzkoušeli jsme podvod z Aliexpressu. Může vás přijít draho, i po letech

v diskusi je 110 příspěvků

14. března 2024

Nakoupili jsme na Aliexpressu a pěkně se spálili. Jednu USB paměť, dvě externí SSD a jeden externí...

Nejsilnější raketa úspěšně prošla prvním testovacím letem do vesmíru

v diskusi je 138 příspěvků

14. března 2024  12:12,  aktualizováno  15:31

Společnost SpaceX poprvé dostala svůj Starship do vesmírného prostoru. Po dvou předchozích...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Svět uznal nároky Beneše. Československo vyhrálo spor s Polskem o Javorinu

v diskusi je 42 příspěvků

12. března 2024

Před 100 lety se Československo dočkalo mezinárodního uznání ve sporu s Polskem o Javorinu....

Od Amazonu po Voyo. Velký test streamovacích služeb našel obří rozdíly

v diskusi je 58 příspěvků

19. března 2024

Premium V jedné můžete vybírat z dvou set filmů a seriálů, ve druhé z osmi tisíc. V jedné je speciální...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Tato novinka ve vyhledávání Googlu lidi pěkně vytáčí. Máme řešení

v diskusi je 153 příspěvků

12. března 2024  10:45

Jedna z novinek, kterou přineslo evropské Nařízení o digitálních trzích, je změna v tom, jak Google...

VIDEO: Střílej po mně! Kameraman natočil téměř celý útok v centru Prahy

Premium Ve čtvrtek zemřelo rukou střelce Davida K. 14 obětí, 25 lidí je zraněných, z toho deset lidí těžce. Jedním z prvních na...

Máma ji dala do pasťáku, je na pervitinu a šlape. Elišku čekají Vánoce na ulici

Premium Noční Smíchov. Na zádech růžový batoh, v ruce svítící balónek, vánoční LED svíčky na baterky kolem krku. Vypadá na...

Test světlých lahvových ležáků: I dobré pivo zestárne v obchodě mnohem rychleji

Premium Ležáky z hypermarketů zklamaly. Jestli si chcete pochutnat, běžte do hospody. Sudová piva totiž dopadla před časem...

Z letadla vypouštějí chemikálii do mraků. Takto v Emirátech vládnou dešti

v diskusi je 15 příspěvků

19. března 2024  10:40

Spojené arabské emiráty ve spolupráci s americkým Národním výzkumem atmosféry již třetí dekádu...

Kuličková myš, VHS a další technologické skvosty nedávné minulosti

v diskusi je 21 příspěvků

19. března 2024

S některými bylo možné se běžně setkat ještě před deseti lety, jiné je možné koupit a používat...

Od Amazonu po Voyo. Velký test streamovacích služeb našel obří rozdíly

v diskusi je 58 příspěvků

19. března 2024

Premium V jedné můžete vybírat z dvou set filmů a seriálů, ve druhé z osmi tisíc. V jedné je speciální...

Zemřel astronaut Stafford, který si ve vesmíru „podal“ ruku s Leonovem

v diskusi nejsou příspěvky

18. března 2024  19:10

Ve věku 93 let po dlouhé nemoci zemřel někdejší astronaut Thomas Stafford, který byl zapojený do...

Nutný výchovný pohlavek, souhlasí Bouček i Havlová s přerušením projevu na Lvu

Moderátor Libor Bouček ostře zareagoval na kauzu ohledně délky proslovu režisérky Darji Kaščejevové na předávání cen...

Švábi, vši a nevychované děti. Výměna manželek skončila už po pěti dnech

Nová Výměna manželek trvala jen pět dní, přesto přinesla spoustu vyhrocených situací. Martina ze Znojma se pokoušela...

Vyzkoušeli jsme podvod z Aliexpressu. Může vás přijít draho, i po letech

Nakoupili jsme na Aliexpressu a pěkně se spálili. Jednu USB paměť, dvě externí SSD a jeden externí HDD. Ve třech...

Chtěli, abych se vyspala s Baldwinem kvůli jeho výkonu, říká Sharon Stone

Herečka Sharon Stone (66) jmenovala producenta, který jí řekl, aby se vyspala s hercem Williamem Baldwinem (61). Měla...

Byla to láska na první pohled, říká hvězda Gilmorek o manželství s modelkou

Milo Ventimiglia (46), představitel Jesse ze seriálu Gilmorova děvčata nebo Jacka Pearsona ze seriálu Tohle jsme my, je...