Projekt  

Metodou projektu KATRIN je změření koncové oblasti energetického spektra rozpadu beta tritia (těžkého isotopu vodíku s hmotnostním číslem A=3). Pokud má neutrino nenulovou klidovou hmotnost, bude toto spektrum jiné než v případě hmoty nulové. Rozdíly jsou však nepatrné a nároky na citlivost a přesnost experimentu jsou tudíž enormní.

Projekt KATRIN nezačíná na zelené louce. Je v jistém smyslu pokračováním (na vyšší úrovni) již řadu let probíhajících experimentů v Mainzu (SRN) a Troicku (Rusko). Oba tyto experimenty využívají k měření tritiového spektra beta tzv. integrální elektronové spektrometry. Jde o přístroje, v nichž se spojuje dobré rozlišení s vysokou světelností, což je pro měření detailního tvaru konce spektra beta zcela nezbytné.

Experimenty v Mainzu a Troicku určily, že pokud má neutrino nenulovou klidovou hmotnost, je tato menší než 2.2 eV (Mainz) a 2.5 eV (Troick). Další snížení této horní hranice již není v jejich možnostech. Projekt KATRIN počítá se sestrojením spektrometru obdobného typu, ale podstatně větších rozměrů. Pro představu: podle původního návrhu měla být hlavní komora spektrometru válec o průměru 7 metrů a délce přes 20 metrů. (Troický spektrometr má průměr asi 1,3 m a délku 7 m, mainzký pak je ještě o něco menší.) Předběžné výpočty, uvedené v Letter of Intent, ukazují, že takový spektrometr je schopen určit horní hranici klidové hmoty neutrina na úrovni ~0.3 eV. Mezinárodní komise, která v roce 2002 hodnotila návrh experimentu však doporučila, aby byl postaven ještě větší spektrometr, kontrétně o průměru kolem deseti metrů. Po diskusi a důkladném zhodnocení byl tento návrh na zasedání Rady spolupráce v prosinci 2002 přijat. Koncem roku 2004 pak byl sestaven Design Report, 250-stránkový základní dokument projektu.

Projekt je mezinárodní. Jeho iniciátory jsou skupiny fyziků z Mainzu a Troicka, kteří využívají dlouholetou zkušenost v tomto oboru. Dále se účastní velká skupina fyziků z ústavu v Karlsruhe, kde má být celé zařízení postaveno. Ke spolupráci pak byli přizváni i lidé z dalších pracovišť, kteří mohou k řešení daných problémů - kterých je opravdu dost - něčím reálně přispět. Zakládajícími členy spolupráce jsou tato pracoviště:Johannes Gutenberg Universitaet Mainz (SRN), Nuclear Research Institute Troick (Rusko), čtyři různá pracoviště Forschungszentrum Karlsruhe (SRN) [Institut fuer Kernphysik, Institut fuer Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, Institut fuer Technische Physik, Tritium-Labor Karlsruhe], Fachhochschule Fulda (SRN), Universitaet Karlsruhe (SRN), Ústav jaderné fyziky AVČR, v.v.i. (ČR), University of Washington v Seattlu (USA) a Friedrich-Wilhelms-Universitaet Bonn (SRN).

Na 3. plenárním zasedání (Collaboration Meeting) KATRIN (Mainz, 5.-6. prosinec 2002) přijala Rada spolupráce (Collaboration Board) nabídku pracovníků z University of Wales ve Swansea (Velká Británie) přistoupit k projektu KATRIN. University of Wales se tak stala dalším řádným členem projektu. Přidružené členství bylo nabídnuto Spojenému ústavu jaderných výzkumů v Dubně (Rusko).

Jak běží čas, stává se projekt KATRIN zajímavým pro stále více lidí. Na 4. plenárním zasedání KATRIN, které se konalo u nás v Řeži 1.-4. června 2003, jsme mezi námi přivítali jako dalšího člena skupinu ASTEC z Daresbury Laboratory (Velká Británie). V souvislosti s přechodem profesora Weiheimera na Westfaelische Wilhelm-Universitaet v Muensteru (SRN) v roce 2004 se i tato universita účastní projektu, a to nikoliv zanedbatelným podílem. V roce 2007 se k projektu připojil i Massachusetts Institute of Technology.

Počátkem roku 2003 byly publikovány výsledky měření kosmické sondy WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), která - jak již název naznačuje - studuje kosmické mikrovlné záření. Tyto výsledky, kombinovány s výsledky jiných experimentů, naznačují (viz např. zde), že součet hmot všech tří neutrin (elektronového, mionového a tauonového) by měl být menší než 1 eV. To znamená, že hmota elektronového neutrina by měla být v řádu nejvýše desetin elektronvoltu. Je však nutno mít na paměti, že tyto výsledky nejsou modelově nezávislé; naopak jsou založeny na předpokladu platnosti některých kosmologických modelů.

Práce na projektu KATRIN se mezitím nezastavily. Připravují se již části vlastního spektrometru. Pokračují a zpřesňují se různé výpočty, berou se v úvahu všechny možné efekty, které by mohly mít sebemenší vliv na přesnost výsledků. Na základě nejnovějších výpočtů došla Rada spolupráce (na 4. plenárním zasedání KATRIN) k závěru, že je v možnostech experimentu určit horní hranici hmoty elektronového neutrina na úrovni 0.2 eV. To je na stejné úrovni, jako výše uvedené výsledky WMAP, získané však jiným, a navíc modelově nezávislým postupem.

V průběhu roku 2003 byla dokončena stavba "pre-spektrometru" (tj. pomocného 'malého' spektrometru, který bude stát před hlavním spektrometrem). Tento pre-spektrometr je nyní usilovně testován. Na 5. plenárním zasedání (11.-12. prosince v Karlsruhe) byl slavnostně pokřtěn jménem "KATRINKA".

V červnu 2004 se konalo další, už šesté, plenární zasedání. Tentokrát v Moskvě, od 6. do 8. června. Jak je účelem těchto setkání, byla na něm přednesena řada referátů o současném stavu projektu, a byly projednány jak bezprostřední, tak i dlouhodobé úkoly a plány.

Sedmé zasedání spolupráce bylo v listopadu 2004 opět v Karlsruhe. Pomocný spektrometr KATRINKA je nyní instalován ve zkušebním boxu a úspěšně testován. Na další hlavní části (hlavní spektrometr, triciový zdroj) byly uzavřeny smlouvy s výrobci. Projekt pokračuje podle plánu.

Další, osmé, zasedání se uskutečnilo v březnu 2005 v Muensteru. Agenda byla podobná, jako na všech předchozích setkáních - pokrok v jednotlivých dílčích úkolech, hledání možných slabších míst a jejich odstranění atd. Nicméně ukazuje se, že žádné vážnější problémy nevyvstaly.

Setkání se konají pravidelně, víceméně po půl roce. Proto bylo další zasedání v září 2005, tentokrát opět v Karlsruhe. Jako obvykle, program jednání byl velmi nahuštěný. Během tří dnů bylo předneseno 10 plenárních příspěvků a 41 příspěvků ve třech sekcích. Jako vždy, poskytly přehled současného stavu projektu, již vyřešených úkolů i toho, co je potřeba řešit v dalším období. Kromě referátů docházelo - jako vždy na takových setkáních - k řadě diskusí o přestávkách i po skončení oficiálního programu.

Jubilejní - desáté - zasedání se konalo v březnu 2006 ve školicím středisku Internationales Forum Burg Liebenzell, kde to původně všechno začalo - zde totiž proběblo první setkání fyziků navrhujících projekt, a to v lednu 2001. Jedenácté zasedání pak následovalo v září 2006, tentokrát opět v Karlsruhe. Obě setkání se zabývala běžnou agendou. To poslední - v Karlsruhe - však bylo značně ovlivněno příjemnou novinou: hlavní spektrometr je těsně před dokončením, úspěšně proběhly tlakové a vakuové zkoušky komory spektrometru.

Komora spektrometru byla vyrobena v závodě MAN-DWE Gmbh v Deggendorfu a po dokončení ji bylo třeba dopravit do FzK Karlsruhe. Ačkoliv Deggendorf a Karlsruhe jsou od sebe vzdáleny vzdušnou čarou jen asi 300 km, transport ocelového válce o průměru 10 m, délce přes 20 m a hmotnosti 200 tun po silnici nebyl realizovatelný. Proto musela být zvolena doprava po vodě, i když cesta byla poněkud delší - přibližně 9000 km. Vedla po Dunaji do Černého moře, Bosporem do Středozemního moře, přes Gibraltar, pak podél pobřeží Portugalska a Španělska a kanálem La Manche do ústí Rýna a po Rýnu do Leopoldshafen u Karlsruhe (viz mapku). Spektrometr byl naloděn 28. září na říční loď, poté dvakrát překládán na námořní lodě. Kvůli nízkému stavu vody v Rýně musel být na poslední část cesty po vodě použit plovoucí ponton. 25. října dorazil spektrometr do přístavu v Leopoldshafen, odkud zbývalo ještě 7 km cesty po pevnině. Tento nejednoduchý převoz je možno vidět na videoklipu. (Ostatně ani cesta po vodě nebyla úplně jednoduchá: na jednom místě proplouvala horní část spektrometru pouhých 7 cm pod mostem.) Nakonec byl spektrometr uložen na své místo - do budovy, která pro něj byla vybudována. (Podrobnější popis přepravy spektrometru je - v angličtině - zde.) Tak skončila jedna důležitá etapa projektu.

V září 2007 přednesl O. Dragoun v ÚTEF v Praze přednášku, v níž přehledně shrnul nejen fakta o programu KATRIN (vznik, průběh, cíl, současný stav), ale i stručnou historii neutrinové fyziky. Text je k dispozici zde.

Jako v každém větším mezinárodním projektu, i v KATRIN vznikají diplomové a doktorské práce i další publikace. Máte-li zájem si prohlédnout jejich přehled, a případně i text většiny z nich, klikněte zde.

Z našeho ústavu (ÚJF AVČR, v.v.i.) se na projektu KATRIN podílí Skupina elektronové spektroskopie vedená Mgr. Drahoslavem Vénosem, CSc. Činnost skupiny je zaměřena na práce spadající do úkolu projektu KATRIN "Kalibrace a monitorování".
V rámci této činnosti jsou ve skupině vypisována témata pro vypracování bakalářských, magisterských i doktorských prací, vhodná zejména pro studenty zaměření jaderná fyzika a fyzika elementárních částic. Zájemci o uvedené práce jsou vítáni.
V současné době je ve skupině volné pracovní místo fyzika a elektroinženýra. Bližší informace: tel. 212 241 677, D. Vénos

Důležitou součástí každého většího projektu je i jeho popularizace. Informace o KATRIN byla odvysílána Českou televizí 24. října 2005 v rámci seriálu České hlavy. O projektu byla uveřejněna zpráva 21. října 2006 v Lidových novinách a 13. října 2006 v Právu (tam bohužel není dostupný archiv). 7. listopadu byl KATRIN věnován hodinový pořad v seriálu 'Vstupte!' na stanici Leonardo Českého rozhlasu. (Několik fotografií z natáčení tohoto pořadu je zde.) 4. prosince 2006 byl v internetovém deníku Neviditelný pes uveřejněn další článek o projektu KATRIN. 8. prosince 2006 - opět v Lidových novinách - se objevila zpráva o úspěšném zakončení přepravy hlavního spektrometru do FzK. Tentýž den byl na stanici Leonardo vysílán devítiminutový telefonický interview s O. Dragounem na totéž téma.

V roce 2007, v lednu, vyšel v Akademickém Bulletinu další článek o projektu. V listopadu (7. a 28.) pak byly na stanici ČRo 3 (Vltava) odvysílány dva rozhovory s O. Dragounem, Chytí vědci neutrina? a Hmotnost neutrina.

V roce 2008 byl další hodinový pořad opět v pořadu 'Vstupte!', a to 28. ledna. Hned nato, 2. února, byl krátký rozhovor o české účasti v KATRIN na stanici Radio Praha. V šestém čísle časopisu Svět pak vyšel další rozhovor "S fyzikem Otokarem Dragounem o hledání, měření a významu nejlehčích částic vesmíru a účasti českých vědců na mezinárodním projektu KATRIN".

Poslední změna 23. května 2008, M. Ryšavý

Začátek stránky	Hlavní stránka ÚJF