Tiskane izdaje
Nevtrinov je veliko več kot delcev, ki sestavljajo snov. Nevtrini so imeli pomembno vlogo v razvoju vesolja. Fiziki si obetajo, da bodo z raziskovanjem nevtrinov segli čez meje standardnega modela delcev in izvedeli več o zgodnji razvojni stopnji vesolja.
Pospeševalnik
Potem ko je začel v Cernu delovati Veliki hadronski trkalnik (LHC), je leta 2011 nehal delovati Tevatron v Fermijevem državnem pospeševalniškem laboratoriju FNAL, kratko Fermilabu, v Batavii blizu Chicaga. Tevatron je bil dotlej največji trkalnik na svetu. V njem so gruče jeder vodikovih atomov, protonov, trkale z gručami njihovih antidelcev, antiprotonov. V krožni podzemni cevi z obsegom 6,3 kilometra so superprevodni magneti vodili gruče protonov in antiprotonov z energijo 1 teraelektronvolt; teraelektronvolt, TeV, je bilijon elektronvoltov. Elektronvolt je enota za merjenje energije delcev. Za en elektronvolt se poveča energija protona, ko preleti napetost 1 volt. S Tevatronom so naredili več pomembnih odkritij. Na koncu delovanja so zaslutili obstoj Higgsovega bozona z maso, ki ustreza energiji na območju od 115 do 135 milijard elektronvoltov. V Cernu so nato izmerili za njegovo energijo mase 126 milijard elektronvoltov.
Preden so protone vbrizgali v trkalnik, ki jih je do konca pospešil, so jih pospešili v štirih stopnjah. Po ustavitvi Tevatrona so te stopnje delovale naprej. Spomladi 2012 so jih ustavili in jih do poletja 2013 temeljito prenovili. Povečali so njihovo učinkovitost, zmanjšali izgube in s tem neželeno sevanje, tako da jih je bilo laže vzdrževati. Z njimi bodo ustvarili najmočnejši tok protonov za poskuse z nevtrini na Zemlji.
Prvo stopnjo so popolnoma predelali. Namesto pospeševalnika s kondenzatorji in usmerniki, ki je zavzel vso sobo, so naredili izvir negativnih vodikovih ionov in majhno napravo, ki daje gruče ionov z energijo 750.000 elektronvoltov (v takem ionu sta na proton vezana dva elektrona). Ione 150 metrov dolgi linearni pospeševalnik pospeši do energije 400 milijonov elektronvoltov. Potem ione pošljejo skozi tanek listič ogljika, da jim odtrga elektrone. Nastale protone manjši krožni pospeševalnik, sinhrotron z obsegom 468 metrov, porivnik (angl. booster) pospeši do energije 8 milijard elektronvoltov. Nazadnje jih glavni vbrizgalnik, sinhrotron z obsegom 3,3 kilometra pospeši do energije 120 milijard elektronvoltov. Vbrizgalnik je obdržal ime po svoji prejšnji vlogi, ko je gruče protonov in antiprotonov vbrizgaval v trkalnik. Takrat so morali pri reakcijah hitrih protonov ustvariti antiprotone, jih urediti v gruče in jih vbrizgati v trkalnik, da so se gibale v nasprotni smeri kot gruče protonov. Ker je to zdaj odpadlo, so odstranili več kot sto magnetov. V cev, v kateri so prej oblikovali gruče antiprotonov, ki je enako velika kot vbrizgalnik, zdaj nakopičijo gruče protonov in s tem povečajo učinkovitost. Zato so bile nujne prilagoditve in so namestili 150 novih magnetov.
Gruče protonov iz porivnika ali iz glavnega vbrizgalnika usmerijo na tarči iz ogljika, v katerih pri reakcijah nastanejo številni delci. Nabite delce z magnetnim poljem vodijo v izsesano cev, v kateri v letu razpadejo. Pri tem nastane veliko mionskih nevtrinov in njihovih antidelcev z veliko energijo. Druge delce zadrži ščit in potem plast zemlje, po kateri potujejo. Nevtrini, odslej mislimo s tem na nevtrine in njihove antidelce, pa neovirano preletijo tudi po snovi velike razdalje. Čim več protonov v sekundi zadene tarčo, tem več delcev nastane, tem močnejši je tok nevtrinov, tem več reakcij sprožijo. Ker morajo zaznati dovolj veliko število nevtrinskih reakcij, da so napake pri merjenju dovolj majhne, je za poskus potreben krajši čas. Kako izdaten je nevtrinski tok, je odvisno od moči, ki jo tok protonov sprošča v tarči. Septembra lani je ta moč dosegla 250 kilovatov. Tolikšen toplotni tok, ki se v tarči sprošča, morajo odvajati s hladilno vodo. V nekaj letih nameravajo moč postopno povečati na 700 kilovatov in nazadnje na 2000 kilovatov. Tako z vbrizgalnikom dobijo NuMI – »nevtrine pri glavnem vbrizgalniku«. Uporabljajo tok nevtrinov z manjšo energijo, ki jih v tarči rodijo protoni iz porivnika z energijo 8 milijard elektronvoltov, in tok nevtrinov z večjo energijo, ki jih v tarči rodijo protoni iz glavnega vbrizgalnika z energijo 120 milijard elektronvoltov.
NOvA
V ZDA nekatere poskuse z NuMI izvajajo že več let. Ker se je moč s časom postopno večala in je bila v preteklosti manjša, so merilniki prej zaznavali nevtrinske reakcije manj pogosto. Značilen poskus z dvema merilnikoma je NOvA, kar je kratica za »pojavljanje nevtrinov NuMI zunaj osi«. Bližnji merilnik je čim bliže izviru nevtrinov, veliko večji oddaljeni merilnik pa v čim večji razdalji. Tako je mogoče raziskovati oscilacije nevtrinov. Če bližnji merilnik ne zazna elektronskih nevtrinov, oddaljeni pa jih zazna, so ti nastali z oscilacijo, s spremembo mionskih nevtrinov v elektronske. Elektronske nevtrine zaznajo po tem, da se pri reakciji z atomskim jedrom pojavi elektron (pri reakciji antinevtrina se pojavi antidelec elektrona, pozitron). NOvA ima oddaljeni merilnik ob Pepelni reki (Ash River) na severu zvezne države Minnesota v oddaljenosti 810 kilometrov. Curek nevtrinov se iz izvira ob glavnem vbrizgalniku stožčasto razširi na vse strani od osi curka. Za ta poskus je značilno, da leži oddaljeni merilnik malo iz osi, za 0,8 kotne stopinje, kar pri tej razdalji nanese slabih 12 kilometrov. Proti robu curka leži energija nevtrinov na ožjem intervalu kot ob osi. To omogoča natančnejše merjenje pri poskusih. Pri drugih poskusih te vrste sta bila merilnika pod zemljo, da je bilo čim manj delcev, ki so nastali pri reakcijah nabitih delcev iz vesolja. Pri tem poskusu sta oba merilnika na površju in se neželenim delcem izognejo z omenjeno lastnostjo in natančnim merjenjem trenutka, v katerem nastane reakcija.
Oba merilnika sestavljajo enote v obliki kvadrov z robovi štiri centimetre, šest centimetrov in 16 centimetrov. Enota vsebuje tekoči scintilator. V njem nabiti delci ob trkih vzbudijo molekule, da sevajo drobne bliske (to ni sevanje Čerenkova). Svetlobno vlakno vodi svetlobo od vsake enote do polprevodniške diode, ki zazna blisk. Oddaljeni merilnik sestavlja pol milijona takih enot in je velik 15 metrov krat 15 metrov krat 100 metrov ter ima maso 14.000 ton. Bližnji merilnik je sestavljen podobno, le da ima še nekaj dodatnih sestavnih delov in ima maso »zgolj« 200 ton.
Čeprav so načrt leta 2007 odobrili, je ameriški kongres naslednje leto ustavil financiranje. Po posebnem zakonskem dodatku pa so financiranje vendarle nadaljevali. V načrtu sodeluje 23 ameriških raziskovalnih ustanov in štiri tuje. Potem ko so dogradili zgradbo oddaljenega merilnika, so sredi leta 2012 začeli sestavljati merilnika. Po predvidevanjih naj bi bila NOvA dograjena letos in naj bi delovala do leta 2019.
Nadaljevanja poskusa MINOS
NOvA je nadaljevanje poskusa MINOS, ki so ga začeli leta 2005. Ime je kratica za »iskanje nevtrinskih oscilacij pri glavnem vbrizgalniku«. V bližnjem in oddaljenem merilniku se plasti magnetnega jekla izmenjujejo s plastmi plastičnega scintilatorja. V scintilatorju hitri nabiti delci zbujajo molekule, da sevajo bliske, ki jih zaznavajo fotopomnoževalke. Bližnji merilnik z maso 980 ton je v Fermilabu nedaleč od vbrizgalnika v globini sto metrov. Daljni merilnik z maso 5400 ton je v rudniku Soudan na severu zvezne države Minnesota v oddaljenosti 735 kilometrov v globini 716 metrov.
Poskus NOvA bo po načrtu nadaljeval poskus LBNE »nevtrinski poskus z dolgo osnovnico«. Pri njem bo oddaljeni merilnik v globini 1480 metrov v oddaljenosti 1300 kilometrov v opuščenem rudniku zlata pri kraju Lead (svinec) v zvezni državi Južna Dakota. Načrt so odobrili leta 2007, a so nastale težave s financiranjem. Načrtujejo, da bi se merjenje začelo leta 2022.
Prof. dr. Janez Strnad, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani
