Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


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

aktualizováno 
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 | foto: Matouš Lázňovský, Technet.cz

Fotogalerie

"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

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),

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...

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

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.

Posun zemské kůry u laboratoře Gran Sasso během zemětřesení v roce 2009, které

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."

K čemu OPERA potřebuje film? Dozvíte se příště

Co je vlastním účelem detektoru OPERA, co zkratka jejího názvu vůbec znamená, a kdo jsou jeho nejdůležitější sousedé, se dozvíte v dalším díle naší reportáže z místa, kde by se mohly přepisovat učebnice fyziky.





Hlavní zprávy

Další z rubriky

Testovací dráha soutěže kapslí pro systém Hyperloop
Potrubní pošta pro lidi Hyperloop přesáhla 320 km/h, návrh je 1 300 km/h

Myšlenka Elona Muska na dopravu lidí pomocí kapslí ve speciálním potrubí dostává stále reálnější obrysy. V rámci jedné ze soutěží týmů, které pracují na...  celý článek

Nývlt Václav: Acer Vision 360
Nehodu natočí, ať přijde odkudkoli a záznam odešle do bezpečí

Berlín (Od zpravodajů Technet.cz) Nová palubní kamera Acer Vision 360 má dva objektivy a proto snímá nejen dění před vozidlem, ale i ve vozidle a skrze okénka i v jeho okolí. V případě nehody...  celý článek

Před 100 lety se narodil Henry Ford II, vnuk slavného Henryho
Před 100 lety se narodil Henry Ford II., vnuk průkopníka automobilového průmyslu

VIDEO 4. září 1917 se narodil Henry Ford II. Po 2. světové válce nahradil ve vedení společnosti Ford svého dědečka a zakladatele firmy Henryho Forda. Za jeho...  celý článek

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.