Neutrina jsou dnes v kurzu, alespoň tedy mezi fyziky. Snaží se je polapit kdekdo, ovšem není to nic jednoduchého. Když si na ně chcete políčit, musíte si připravit opravdu velkou past. Ideálně ji musíte skrýt do podzemní jeskyně jako v Itálii, v Japonsku či přímo pod ledem u jižního pólu, když máte prostředky nejen od americké vlády.
Nebo si můžete posloužit nejhlubším jezerem světa, pokud k němu máte přístup. Přesně to dělají ruští fyzici, kteří v jezeře Bajkal staví laboratoř Baikal-GVD. Projekt byl dlouho ryze ruský, pomalu se však otevírá světu. Jedním z mála cizinců, který na něm pracuje, je Lukáš Fajt z Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT.
Proč by někdo stavěl teleskop – i když třeba neutrinový - uprostřed jezera?
Protože to je vlastně velmi vhodné a dobře přístupné místo. Neutrina jsou velmi těžko polapitelné částice. S běžnou hmotou příliš nereagují, a abyste je měli možnost zachytit, potřebujete nějakou velkou „anténu“. Proto mají neutrinové teleskopy vždy bez výjimky ohromné rozměry. My je navíc detekujeme s pomocí světla - a k tomu potřebujeme prostředí, kde se světlo dobře šíří, ale kde je zároveň také tma. Hloubky jezera Bajkal tyto podmínky splňují dokonale.
Pracoviště zimní expedice na zamrzlé hladině Bajkalu.
Pár slov o neutrinechNeutrina jsou částice, jejichž vlastnosti známe stále jen... inu, částečně. Víme, že mají nenulovou hmotnost, ale netušíme jakou přesně. Byť jsou stabilní, mohou se spontánně měnit z jednoho typu na jiný (existují tři typy neutrin: elektronové, mionové a tauonové), ale nevíme zcela přesně, jak a proč proces probíhá. Obojí je vlastně dobře: neznalost je příležitost, jak lépe poznat fyzikální zákony, které vládnou dějům v částicích. Lepší poznání neutrin by nám mohlo pomoci alespoň částečně mezery v našich znalostech zaplnit. Navíc celou řadu věcí o neutrinech již víme bezpečně: nepůsobí na ně téměř žádné fyzikální síly. Nemají elektrický náboj, a tak ignorují elektromagnetické síly. Mají téměř zanedbatelnou hmotnost a i vliv v relativně slabé zemské gravitace na ně je nepozorovatelný. Výjimkou je tzv. slabá interakce, ale ta přijde ke slovu jen když přímo „trefí“ nějakou jinou částici. A to se stává velmi zřídka, naštěstí neutrin je k dispozici kolem nás víc než dost. |
Jak vypadá ten v Bajkalu?
Základem jsou detektory v podobě takových ani ne půl metrových skleněných koulí s elektronikou uvnitř ponořených do jezera. Zjednodušeně řečeno jde o detektory citlivé na světlo, takzvané fotonásobiče, které míří směrem dolů ke dnu jezera. Odtamtud se snaží zachytit slabé záblesky světla vznikající díky Čerenkovovu efektu, tedy zjednodušeně řečeno při pohybu částic s vysokými energiemi. Takové částice vznikají i při interakcích neutrin a mohou tak být vidět jako takové slaboučké zablýsknutí, pro člověka samozřejmě neviditelné.
Proč lovit neutrina, k tomu se ještě dostaneme, teď se vrátím k něčemu jinému. Vy jste říkal, že detektor několik set metrů pod hladinou nejhlubšího jezera světa je na dobře přístupném místě. Jak to myslíte?
K tomu vám musím vysvětlit, jak se staví. Budování probíhá zhruba sedmým rokem, ale staví se jen malou část roku, a to v průběhu zimní expedice, která trvá zhruba dva měsíce. Ne v době, kdy jsou na místě největší mrazy, ale zhruba od února až do oblevy. Bajkal je tedy zamrzlý a slouží jako skvělá přístupová cesta. Detektor sice leží zhruba 3,5 kilometru od nejbližšího břehu, ale to po ledu není problém a na místě pak stačí vyřezat díru v ledu v místě, kde chcete detektory spustit. Ve srovnání s ostatními neutrinovými teleskopy jsme na tom výrazně lépe.
Jeden z fotodetektorů detektoru Bajkal-GVD. Jeho „srdcem“ je japonská elektronika.
Kdo je takříkajíc „konkurence“?
Jednou je detektor IceCube, který leží na jižním pólu, kam musíte všechno dopravovat letecky. A druhý je Antares a jeho nástupce KM3NeT ve Středozemním moři, k jehož stavbě či opravě potřebujete lodě. Jak vidíte, neutrinové detektory bývají na velmi zajímavých místech, člověk se může podívat někam, kam by se asi normálně nedostal. Nám stačí zjednodušeně řečeno jeřáby a náklaďáky. A ty ani nemusí jezdit daleko, až na břeh u detektoru se všechno dopraví železnicí. Cenově jsou tedy ostatní detektory úplně jinde, a to řádově. Navíc je samozřejmě výhoda, že ceny jsou v Rusku výrazně nižší než například ve Francii.
Vy jste zmínil, že v zimě do Ruska opět chystáte. Kdy přesně stavba probíhá?
Obvykle to vychází od poloviny února až zhruba do dubna. Já tam nikdy nebyl celou dobu, ale s pracemi se začíná, když je led dost silný na to, aby na něj mohly vjet stroje. To je kolem 60 centimetrů, obvykle se té tloušťky dosáhne právě v únoru. Není to konečná hodnota, led mívá v průběhu našich zimních expedic kolem 90 centimetrů. Na konci expedice je samozřejmě trochu slabší, to už pro mne bylo trochu o strach.
Jak to myslíte?
Na začátku dubna už začíná tání. Led je sice možná silný, ale na něm stojí několik centimetrů vody, které člověku neustále čvachtají pod nohama. Když jsem tam byl v té době, nemohl jsem se zbavit trochu stísněného pocitu. Ano, sice vidíte, že kolem vás stále jezdí náklaďáky a jeřáby, ale zároveň víte, že pod nohama máte 1,3 kilometru vody.
Stálý tábor na břehu Bajkalu v místě, kde data z detektoru vystupují na břeh. Při bližším pohledu si všimnete, že podél břehu vede železniční trať, která je hlavní zásobovací tepnou v celé oblasti. Především v létě, kdy jezero přestane fungovat jako silnice.
Je u detektoru nějaké vědecké středisko?
Je tam stanice, kde kabely od detektorů vystupují na břeh. Ale je poměrně malá, v průběhu roku je tam vlastně jen jeden, dva lidé, kteří na detektor dohlíží. Více lidí se tam sjede jen v zimě, kdy se buduje detektor, a pak v průběhu menší letní expedice, kdy se staví ubytování a další infrastruktura. Do nedávna tam panovaly poměrně spartánské podmínky, ale teď se to poměrně rychle zlepšují a na místě se staví lepší ubytovací zařízení. Teď je to směs starších buněk s novějšími, které z ohleduplnosti dostáváme přednostně my, zahraniční vědci. Ale mimo zimu a léto je to hodně opuštěné, byť kouzelné místo. Prý výborné na čtení Dostojevského, ale z osobní zkušenosti to neznám.
Vy v Praze pracujete přes rok na datové analýze, a pak se uprostřed zimy sbalíte a vyrazíte na Bajkal?
Ano, je to docela vtipné. Během expedice se pracuje sedm dní v týdnu nějakých deset až dvanáct hodin denně – a je to poměrně fyzicky náročná práce. Ale dělají ji mimo jiných i takové „počítačové krysy“ jako já, které opustí kanceláře a laboratoře a vyfasují motorové pily. Je to opravdu zajímavé a má to kromě nádechu dobrodružství i ohromnou výhodu, že detektor skvěle poznáte. Pochopíte jeho fungování mnohem lépe než jen tak od stolu.
Vzhledem k řídkému osídlení nad Bajkalem uvidíte jiné nebe, než na jaké jste zvyklí z našich krajů.
Proč se kvůli neutrinům vlastně namáhat? Co je na nich zajímavého?
V astronomii je na nich zajímavé, že toho mohou spoustu prozradit o místě, ze kterého přiletěla. Neutrina se sice špatně zachytávají, ale to zároveň znamená, že je jen tak něco nezastaví. Mohou uniknout i ze středů velice hmotných objektů nebo kolabujících hvězd. Velkou výhodou je i to, že nemění směr. Nabité částice se ohýbají podle elektromagnetických polí, takže když nějakou na povrchu Země zachytíte, nemůžete si nikdy být jistí, ze kterého místa vlastně přišla.
Když se podaří zachytit stopy neutrina a určíte směr, ze kterého přilétlo, tak víme, že jeho zdroj je právě tam. Takže se takhle můžeme podívat třeba do jader galaxií a podobných extrémních objektů, které jsou prakticky nedostupné pro klasickou, optickou astronomii. Samozřejmě, samotná neutrina nám o nich neřeknou všechno, ale dnes je velký trend sledování jednoho objektu několika různými způsoby, tedy třeba s pomocí gravitačních vln, gama záření, nabitých částic nebo neutrin.
Dohromady pak poskytnou mnohem více informací. Takže nebudeme pracovat obrazně řečeno sami na sebe, stejně jako jiné detektory se budeme o spoustu informací v reálném čase dělit s ostatními. Jakmile zachytíme něco zajímavého, pustíme informaci do světa, aby se mohl podívat každý, koho to zajímá. Neutrina jsou navíc jeden z nadějných způsobů, jak objevit „novou“ fyziku.
Samotný vrchol clusteru s několika bójem s elektronikou
Myslíte obrazně řečeno něco „za“ Higgsovým bosonem objeveným na LHC?
Ano. My víme, že nevíme všechno, ale nevíme, jak přesně dál. Objev Higgsova bosonu na LHC byl ohromný úspěch, ale od té doby se na něm nic moc za standardním modelem neobjevilo. Ale některé prozatím neobjasněné vlastnosti neutrin by mohly mnohé osvětlit. My už například bezpečně víme, že nemají nulovou hmotnost - a to standardní model částicové fyziky nedokáže vysvětlit. Podle jiných, velmi dobře podložených, hypotéz by mohla například vznikat neutrina při rozpadu záhadné temné hmoty, kterou jsme zatím nikdy nedokázali zachytit. Takže neutrina nám mají co říct.
Mohli bychom to dokázat díky neutrinům? Možná. Nevíme jistě, ale vypadá to, že to stojí za vyzkoušení. Tedy, nerozumíme fungování detektoru a nabíraným datům natolik dobře, abychom mohli tak revoluční objev udělat dnes. Neutrinová fyzika je teď z velmi dobrých důvodů ve středu zájmu.
Přichází ledař. Vyjímání ledových kostek z otvoru pro jeřáb - v tomto případě ne tak úplně úspěšné.
Vrátím se k samotnému projektu. Jak vlastně dnes vypadá, kolik má „dílů“?
Jak jsem říkal, základem jsou detektory, což jsou v podstatě větší skleněné koule. Jsou zavěšené po takových „trsech“, clusterech na osmi lanech. Každé je dlouhé asi 1 300 metrů a dohromady je na nich celkem 288 detektorů. Můžete si je představit jako osm navzájem propojených ke dnu připojených stonků s pravidelně rozmístěnými bobulemi detektorů. Jedno lano je centrální a zbylých sedm je kolem něj symetricky rozdělených. Průměr takového clusteru je 120 metrů, nyní je jejich pod hladinou pět (efektivní objem detektoru je nyní 0,25 km³, pozn.red.). V roce 2021 by jich mělo být devět a ve vodě bude něco přes dva a půl tisíce detektorů. Už jsme se to naučili, každou zimu se v posledních letech instalují dva, takže termín vypadá reálně.
Pro představu, v jaké hloubce detektory jsou?
Využíváme spodní polovinu jezera, takže detektory jsou zhruba ve spodních 600 metrech. Ale ne zcela přesně, protože v jezeru jsou silné proudy, které víří bahno na dně, a tak posledních sto metrů vodního sloupce nevyužíváme. Detektory by se příliš zanášely. Navíc proudy vody promíchávají bahno usazené na dně s kyslíkem z vody, takže je tam vyšší míra luminiscence, tedy světélkování.
Pracoviště zimní expedice nad detektorem Bajkal-GVD
Pokud jsou tak citlivé, musí i pod vodou zachytit spoustu „falešných signálů“, ne?
Samozřejmě, my je musíme umět dobře odfiltrovat, a to hned několika způsoby. Detektory jsou tak citlivé, že z jejich pohledu je i v téhle hloubce světla více, než bychom si přáli. Objevují záblesky, které nechceme zachytit, třeba stopy dopadu částic kosmického záření nebo světelný šum samotného jezera. Existuje spousta jiných zdrojů světla, které musíme odfiltrovat.
To nemůže být jednoduché, neutrina se sice chytají těžko, ale všude kolem nás jich je spousta…
Ano, je jich spousta, ale nás zajímá jen velmi, velmi malá část z nich. My chceme zachytit ta, která vznikla mimo Zemi v nějakých zajímavých objektech, třeba jádrech galaxií, a tak podobně. Nelze konkrétně říct, které z detekovaných neutrin pochází z vnějšího vesmíru, ale taková neutrina se vyznačují vysokou energií. Například Slunce vytváří spoustu neutrin, ale ty mají mnohem nižší energii, než jaká nás zajímá. Pro představu jde řádově o jednotky nebo desítky MeVů (megaelektronvoltů, pozn.red.), nás zajímají neutrina s energií řádově stovek TeVů (teraelektronvoltů, pozn.red.) až PeVů (petaelektronvoltů), takže se stotisíckrát až milionkrát vyšší energií.
My, eVy, MeVy a TeVyElektronvolt (eV), není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E=mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c² (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává. Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme si to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 kiloelektronvoltů nebo 9,11x10 -31 kilogramu. A jeden proton má 0,931 gigaelektronvoltu (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). S čím by se vám pracovalo lépe? |
Což vy ovšem přímo změřit nedokážete, že?
Ne, neutrina nezachycujeme nikdy přímo, zachytíme jen produkty jejich srážky s naší běžnou hmotou. Což se nestává moc často, proto potřebujeme, aby detektor měl tak velký objem. Takže detekce probíhá tak, že neutrino se srazí s nějakou jinou částici a při srážce ve výsledku vznikne spousta jiných částic, včetně částic s vysokými energiemi, které pod vodou zasvítí, takže je zachytíme. V některých případech vzniká mion, těžší sourozenec elektronu, který se poté může pohybovat až několika kilometry vody a celou dobu produkuje světlo.
Miony tedy vznikají při srážce s vodou jezera?
Ano, s atomy vody nebo dna nacházejícího se pod detektorem. My sledujeme především stopy mionů, které přilétají odspodu, ze dna jezera. Sice hledáme částice přicházející z vesmíru, ale koukáme se dolů, protože Země je pro nás takový velký filtr, na kterém se všechny ostatní typy částic zastaví. Naopak drtivá většina neutrin proletí bez problému skrz celou Zemi a čas od času v okolí pod detektorem interagují a vytvoří mion, který letí směrem nahoru, což jinak není možné. Stopy takového mionu hledáme. Takže, abych dodal ještě jeden paradox – jsme sice na severní polokouli, ale pomocí mionů sledujeme primárně jižní oblohu.
Jeden z fotodektorů před ponořením do jezera. Tou hlavní součástí je stříbrný „blob“ ve spodní části koule. Když se pozorněji zadíváte, všimnete si, že jde o detektor namířeným směrem dolů, do hlubiny jezera.
Kontrola jednoho fotodetektoru před spuštěním. Dobře je vidět, že je postavený tak, aby snímal světlo přicházející odspodu.
Filtrování s pomocí Země ale nestačí. Pak máme ještě spoustu dalších případů, kdy srážka neutrina s hmotou vytvoří takzvanou „spršku“. Představte si to třeba tak, že v jednom místě se zableskne a od toho místa se šíří na všechny strany stovky či tisíce fotonů. V takových případech můžeme poměrně dobře spočítat celkovou energii srážky. Ty, které mají energii příliš malou – nižší, než jakou mají neutrina, která nás zajímají – vyřadíme a údaje o nich neukládáme.
Pokud součet odpovídá, tak se záznam o celé události zapíše. Není to bezchybné opatření, protože zachytíme i spoustu neutrin, která vznikla v atmosféře po příletu nějakých částic kosmického záření. Ty mají také velké energie, ale my je nechceme sledovat a musíme je vyřadit. Ovšem zrovna těchto neutrin je na Zemi výrazně více než těch „našich“, takzvaných „mezihvězdných“.
Na Bajkale žije i jeden druh tuleně, tuleň bajkalský. Jak název naznačuje, vyskytuje se pouze na tomto místě, kde se ocitl během podstatně chladnějších klimatických období. Během zimy si udržuje v ledu množství malých otvorů, byť led může být silný i kolem metru.
Tuleňů žije na Bajkale řádově několik desítek tisíc, ale jejich stavy spíše klesají v důsledku nadměrného - a z velké části ilegálního - lovu pro kožešinu.
A ty poznáte jak?
Používáme spoustu poměrně složitých postupů a nástrojů, včetně dnes tak populárního strojového učení. Ale je to problém, a také jeden z hlavních důvodů, proč nejen my chceme větší detektory. Čím větší detektor, tím energetičtější neutrina dokáže zachytit – malé detektory neutrina s opravdu velkou energií nezachytí.
V atmosféře ovšem vznikají mnohem spíše neutrina s nižší energií, která nám zaplevelují signál nejvíce. Pokud tedy postavíte dostatečně velký detektor, situace se vám zjednoduší. Zachytíte více neutrin s vysokými energiemi, která s vyšší pravděpodobností nejsou pozemského původu. Jsou to ta správná, takzvaná astrofyzikální neutrina.
V jakém je stavu a jaké jsou další plány?
Teoreticky byla podobná observatoř navržena už na přelomu 50. a 60. letech, konkrétně u zrodu nápadu stál teoretický fyzik Moisej Markov. Do Bajkalu se první moduly začaly potápět již v 80. letech. To nebyl ještě samotný detektor, pouze se zkoušely první prototypy, zkoušelo se, zda to v principu vůbec bude fungovat. Neutrinové teleskopy nemůžou být malé, mají rozměry řádově ve stovkách metrů. Po pádu Sovětského svazu ovšem nebyly finance a projekt na roky usnul. Než se ho podařilo znovu rozjet, Bajkal předstihly velikostí dva další teleskopy, které už jsem zmínil: evropský ANTARES ve Středozemním moři, další pak americký IceCube na jižním pólu.
Kdy se ruský projekt znovu rozběhl?
V roce 2013. Skupina fyziků z ústavu v Dubně a Moskvě úspěšně zažádala o grant z ruského výzkumného programu ve výši řádově desítek milionů dolarů (konkrétně byly pod žádosti fyzici ze Spojeného ústavu jaderných výzkumů v Dubně a Ústavu jaderných výzkumů v Moskvě, pozn.red.) V roce 2014 začaly práce na detektoru, cílem je mít v roce 2021 detektor o objemu zhruba 0,4 krychlového kilometru, což je úctyhodný výkon. Nicméně ani tak nebude největší na světě, IceCube u jižního pólu má již v tuto chvíli jeden kilometr krychlový.
Práce detektoru Bajkal během zimní expedice
Bude tedy ten ruský vůbec k něčemu?
Detektory jsou ve skutečnosti komplementární. Zrovna v případě IceCube a bajkalského projektu každý sleduje primárně odlišnou polovinu oblohy.
Jaké jsou zatím výsledky?
S pomocí prvního nainstalovaného clusteru měříme už od roku 2015. Jak přidáváme nové clustery, okamžitě začnou měřit a ukládat data. V tuto chvíli naměřená data používáme pro kalibraci detektoru, vývoj a testování nových metod pro hledání neutrin a určování jejich směru příchodu. K tomu používáme neutrina vznikající v naší atmosféře, protože je jich mnohem více a jsou lépe prozkoumaná. Ovšem náš hlavní cíl je prokázat, že zachycujeme to, co máme, tedy neutrina s vysokými energiemi.
Zároveň se pokoušíme získat další prostředky na rozšiřování teleskopu, abychom měli lepší výsledky a mohli jsme tak detekovat i neutrina astrofyzikální. V místě je dno úplně ploché a detektor můžeme tedy dál rozšiřovat. Právě proto se staví tam, kde se staví: hloubka je tam zhruba 1,3 kilometru a rozkládá se tu podvodní plošina s rozlohou několika kilometrů čtverečních.
Bajkal byl a stále zůstává primárně ruským projektem?
Ano, v projektu je nyní devět institucí, z nichž šest je ryze ruských a čistě ruských a sedmou je mezinárodní ústav v Dubně. Pak jsou tu čeští a slovenští zástupci, ze Česko právě náš Ústav technické a experimentální fyziky pod ČVUT v Praze. Ve spolupráci jsou ovšem včetně mě pouze dva lidé od nás z ústavu. Původně šlo opravdu o ryze ruský projekt, my i Slováci jsme se přidali před pěti lety. Dodnes projektu nejvíce ze všeho podle mého názoru chybí právě lidé. Je nás zhruba 40, ve srovnatelně velkém evropském projektu ANTARES je zapojeno přibližně čtyřikrát více vědců, v projektu IceCube ještě výrazně více.
Jídelna „základny“ detektoru GVD na břehu Bajkalu během zimní expedice
Chladná, ale krásná kancelář... Pracoviště zimní expedice s horami na břehu Bajkalu v pozadí.
Lukáš FajtNarodil se v roce 1991 v Pardubicích. Magisterský titul má z Ústavu jaderné a částicové fyzika MFF Univerzity Karlovy. Z několika zahraničních stáží, včetně CERNu, na něm nakonec alespoň z profesního hlediska evidentně zapůsobil pobyt na fyzikálním ústavu v Dubně, na jehož chodu se čeští fyzici podílí již desetiletí. Právě s fyziky z Dubny totiž pracuje na projektu detektoru neutrin v jezeře Bajkal. Když nepracuje na sibiřském ledu, obvykle je k nalezení u počítače na katedře Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT. Jeho specialitou je interpretace naměřených dat.  Lukáš Fajt |
Vzhledem k tomu, že podobných detektorů příliš není, nemůžete přibrat týmy z dalších zemí?
Možné to je, nicméně v oboru jsou v tuto chvíli karty rozdány. Velká část evropských týmů se specializací na neutrina už je v jednom ze dvou konkurenčních projektů. Třeba Francouzi a Italové v ANTARES, Němci, Američani a Kanaďani v IceCube. Přitom by se určitě další týmy hodily, práce je spoustu. Což samozřejmě znamená, že na nějaké velké shánění dalších kontaktů není příliš mnoho času, práce je hrozně moc. Jak jsem říkal, chceme dotáhnout do konce první etapu i proto, abychom pak měli šanci získat prostředky na další fáze rozvoje detektoru.
Mimochodem, s projektem je spojena i zajímavá historie. Bajkal začal vznikat ještě před rokem 1989 a tehdy se na něm podílel i tým z tehdejšího východního Německa. Tamní fyzici tedy nabírali první zkušenosti s měřením v neutrinové fyzice ve spolupráci s Rusy. Po rozpadu Sovětského svazu však celá skupina společně s Američany vytvořila detektor AMANDA, později IceCube, který Bajkal rozměry předběhl, i když je staršího data. Nicméně i tak zůstala mnoha z nich přáteli na celý život a i nadále se vídají a vzájemně si pomáhají.
Pro získávání dalších prostředků však musíte prokázat nějaké výsledky a já jsem při hledání vědeckých výstupu Bajkalu prakticky nic neobjevil. Nemůže to poškodit výhledy na další financování?
Máte pravdu, publikací v recenzovaných časopisech máme prozatím spíše pomálu. Částečně je to podle mého způsobeno nedostatkem lidí. Jak jsem říkal, práce je strašně moc, a teď klademe důraz primárně na budování samotného teleskopu a jeho provoz. Publikování je tedy až na druhém místě.
