Neutrinová observatoř v Antarktidě

Zajímavou a poněkud nezvyklou možností je využití k detekci neutrin mohutných mas křišťálově čistého přírodního ledu v rozsáhlých ledovcích v Antarktidě. Od výzkumu těchto tajemných částic si vědci slibují nové informace o minulosti i budoucnosti vesmíru.

Největším projektem, který vzniká hluboko pod povrchem antarktického ledovce, je nejmohutnější neutrinový teleskop IceCube. Při jeho budování musí důmyslné "vrtáky" zdolat proudem horké vody (kolem 80°C) led na jižním pólu a "vyvrtat" šachty (hloubka až 2,4 km, průměr kolem 0,5 m), do nichž se spustí řetězce sférických digitálních optických senzorů (fotonásobiče), načež šachta po několika hodinách opět zamrzne. Senzory jsou umístěny v tlakuvzdorných skleněných koulích velikosti basketbalového míče. V ledu zamrzlé fotonásobiče budou propojeny elektrickými a světelnými kabely s vyhodnocovacím pozemským centrem, kde se informace zpracují a uloží pro další analýzy. Všechny fotonásobiče budou vybaveny i digitálními mikroprocesory pro rychlý a přímý přenos dat i do vzdálených počítačů zúčastněných vědců v amerických a evropských institucích. Vznikne tak největší počítačová soustava na světě, ale technici ještě musí vyřešit jeden komunikační problém. Předpokládá se při něm položení optického kabelu (1670 km) k francouzské výzkumné stanici Concordia, která má trvalé spojení s mnohem výkonnějším satelitem. Výhodou je, že kabel se postupně sám "zahrabe", není potřeba v ledu hloubit žádný příkop.

Po dokončení by neutrinová observatoř IceCube měla sestávat z 5000 fotonásobičů, rozmístěných v 70 šachtách v různých hloubkách pod ledem. A svým celkovým objemem 1 km³ ledu (IceCube - "ledová krychle") se stane největší detekčním vědeckým "přístrojem" na světě.

Tento rok se má, podle vědců a vedoucích pracovníků projektu IceCube, velikost detektoru téměř zdvojnásobit. Stavba probíhá u jižní polární základny Amundsen-Scott (National Science Foundation's Amundsen-Scott South Pole Station).

Ačkoli práce mohou probíhat jen od října do únoru, v době, kdy na jižním pólu je léto, i když kraťoučké a poměrně chladné - rozsah a rychlost stavby tento rok způsobily, že observatoř bude moci zanedlouho zahájit vědeckou činnost. Dokončení IceCube je naplánováno na rok 2011.

"Zprávy jsou celkem vzato dobré," říká Francis Halzen, profesor fyziky UW Madison (University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, USA) a vedoucí projektu IceCube.

Podle Halzena a dalších pracovníků je IceCube založen na světelných stopách, které fotonásobiče snímají hluboko (až 2,4 km) v zamrzlém průzračném antarktickém ledu. Senzory budou složit k detekci kratičkých stop, které zanechají vysokoenergetická neutrina při průletu Zemí. V kilometrových hloubkách v nitru ledovce za vysokých tlaků je led vysoce průhledný, kompaktní a bez bublinek, takže záblesky lze detekovat do vzdáleností desítek až stovek metrů. Detekce neutrin se svou technikou i principy značně liší od detekce záření, protože neutrina jsou schopné hladce pronikat jakoukoli hmotou. Pokud bychom je chtěli zachytit olověnou deskou, musela by mít tloušťku asi 1000 sv.l. (9,4.10¹⁵ km). První důkaz o existenci neutrin, které teoreticky předpověděl již v roce 1930 rakouský fyzik Wolfgang Pauli, byl poskytnut až po objevu scintilačních kapalin v roce 1956 (F.Reines a C.Cowan v laboratořích Los Alamos).

Neutrina jsou vysokoenergetické subatomární částečky (tzn. menší než atom), které vznikly při galaktických kolizích, ve vzdálených černých dírách, kvasarech a při nejmohutnějších dějích ve vesmíru. Nesou informace, které by nám mohly odhalit část tajemství vesmíru jako jsou gama záblesky, temná hmota a supernovy.

Miliardy kosmický neutrin projdou denně nepovšimnuty skrz Zemi a samozřejmě i lidské tělo a pro astrofyziky je jejich detekování extrémně obtížné. Jen velmi velký detektor zvýší šance, že vědci zachytí neutrino "při činu", když právě narazí do protonu nebo další subatomární částice. Při nárazu vznikne nová částice - mion, která se prozradí modrým zábleskem (při bočním pohledu lze pozorovat světelný kužel). Detektory zachytí neutrinový záblesk s přesností miliardtiny sekundy, převedou ho na elektrický impuls a odešlou k povrchové stanici na vyhodnocení.

Až bude IceCube dokončený, tak v krychlovém kilometru antarktického ledu bude usazeno více než 4200 optických senzorů (fotonásobičů), které budou zachycovat stopy, které neutrino zanechá v ledu a jejich dráhy se zpětně promítnout do vzdálených míst jejich původu. Navíc další 300 senzorů bude rozmístěno v nádržích na povrchu polárního ledu.

Přestože se teleskop IceCube nachází na jižním pólu, pozoruje neutrina přicházející z oblohy na severní polokouli. Detektor využívá Zemi jako filtr, který bezpečně odstraní všechny další typy neutrin (např. ze Slunce) a bude identifikovat zdroje a distribuci vysokoenergetických neutrin, vytvořených při mohutnými kosmickými dějích, které jsou svědky nepředstavitelně vzdálených událostí (kolize galaxií, výbuchy supernov apod.).

Prvním systémem tohoto druhu je AMANDA (Antarctic Mion AND Neutrino Detector Array) budovaná v Antarktidě v letech 1996-2000. Sestává z více než 700 fotonásobičů, zapuštěných pod antarktický led v 19 šachtách hloubky přes 2 km.

Stavba IceCube začala v lednu 2005, kdy vědci vyvrtali první díra pro detektor a rozmístili první optické senzory pro observatoř. "Digitální optické senzory, rozmístěné vloni, fungovaly celý rok bez poruch," říká Halzen. "Běží jako švýcarské hodinky. Ale velkou senzací tohoto období je výkon vrtáku."

Aby se vyřešily problémy při loňském vrtání vloni a na počátkem sezóny 2005-06, byla přidána speciální vrtná věž a tým IceCube byl v letošním roce schopen do antarktického ledu vyvrtat celkem 8 hlubokých šachet a umístit do nich 8 řetězců 60 senzorů. Spojili tak již existující projekt AMANDA s IceCube, který v současné době sestávat z téměř 1300 optické senzorů.

Ačkoli novými technologiemi byly vytvořeny detektory, které mají být ve zdejších podmínkách zcela bezpečné, tak vědcům i inženýrům dělá vrásky kolísání teplot v polárních oblastech od – 40°C v listopadu do – 30°C v únoru.

"Víme, že je tam ještě mnoho práce, ale není pochyb, jak významným úspěchem je instalování osmi šachet v tomto ročním období," říká Yeck, ředitel projektu IceCube. Dále dodává, že nově instalované jednotky fungují a posílají signály na povrch. Vědci IceCube budou pokračovat v testech kabelového i elektronického spojení s centry během nastávající zimy na jižním pólu.

Zdroj: www.sciencedaily.com
Převzato: Hvězdárna Valašské Meziříčí