KATRIN niemal gotowy do pomiaru masy neutrina

Inżynierowie zakończyli prace nad budową KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) i w przyszłym roku naukowcy rozpoczną rejestrowanie pierwszych danych, których celem jest określenie masy jednej z najbardziej nieuchwytnych cząstek we wszechświecie – neutrina.

Srebrzysta komora próżniowa KATRIN przypomina sterowiec. Mimo że jest 10-krotnie mniejsza od słynnego Hindenburga to i tak robi wrażenie. Wciąż bowiem rozmiarami dorównuje płetwalowi błękitnemu. Projekt KATRIN powstał z 2001 roku i po 16 latach wszystkie jego części zostały zbudowane i złożone. To już ostateczne odliczanie – mówi Guido Drexlin, fizyk z Instytutu Technologicznego w Karlsruhe i rzecznik prasowy projektu.

Samo zbudowanie KATRIN było gigantycznym wyzwaniem. O tym, jak wielkim, niech świadczy historia samej chociażby komory próżniowej. Urządzenie o długości 23 metrów i średnicy 10 metrów zbudowano w Deggendorf, zaledwie 400 kilometrów od siedziby KATRIN. Jednak komory nie można było przewieźć najkrótszą drogą. W sierpniu 2006 roku komora wyruszyła na barkach z biegiem Dunaju do Morza Czarnego, tam załadowano ją na statek i przez Morze Egejskie i Śródziemne popłynęła do ujścia Renu. W końcu po 2-miesięcznej podróży komora dotarła do Leopoldshafen, miejscowości położonej o 7 kilometrów od siedziby KATRIN. Następnie specjalna ciężarówka dowiozła ją na miejsce, a jej kierowca spisał się po mistrzowsku, gdyż czasem miał tylko 5 centymetrów wolnego  miejsca, by zmieścić komorę pomiędzy budynkami. Podróż o długości 8800 kilometrów pochłonęła 600 000 euro, a ostatnie 7 kilometrów kosztowało tyle, co cała wcześniejsza podróż.

Dzięki KATRIN naukowcy chcą w końcu dowiedzieć się tego, nad czym pracują od 70 lat. Od takiego bowiem czasu specjaliści starają się odpowiedzieć na pytanie o masę neutrina badają rozpad beta trytu. Jednak dotychczas udało się jedynie określić górną granice tej masy. KATRIN może być ostatnią nadzieją współczesnej nauki, by bez nowej rewolucyjnej technologii zmierzyć masę neutrina. To koniec drogi – stwierdził Peter Doe, fizyk z University of Washington, który bierze udział w pracach KATRIN.

Wciąż jednak nie wiadomo, czy KATRIN spełni pokładane w nim nadzieje. Dotychczasowe eksperymenty, prowadzone w wielu różnych urządzeniach, pokazują, że neutrino ma masę. Jednak w ostatnich latach pojawiły się dane sugerujące, że cząstka może być zbyt lekka, by KATRIN mógł ją zarejestrować. Mimo to uczeni mówią, że warto rozpocząć eksperymenty, gdyż nawet jeśli KATRIN nie zmierzy masy neutrina, to zwiększy naszą wiedzę o kosmosie.

Gdy w latach 30. ubiegłego wieku pojawiła się teoria o istnieniu neutrina, naukowcy przez kolejne 2 dekady starali się je zarejestrować. W 1949 roku pojawiły się pierwsze wyniki sugerujące, że masa neutrina wynosi mniej niż 500 elektronowoltów, czyli 1/1000 masę elektronu. Od tamtej pory kolejne eksperymenty wykazywały, że jest ono jeszcze lżejsze. Najnowsze badania w tej materii, przeprowadzone w 1999 roku niezależnie w Niemczech i Rosji wykazały, że górna granica masy neutrina znajduje się w okolicach 2 eV. To dwie miliardowe części najlżejszego z atomów. W 2001 roku międzynarodowe grupy fizyków opracowały plan przeprowadzenia ostatecznego eksperymentu z rozpadem beta trytu. Narodził się pomysł KATRIN. Uczeni mają nadzieję, że eksperyment ten pozwoli na co najmniej 10-krotnie lepsze określenie górnej granicy masy neutrina, a być może umożliwi jej zmierzenie.

Przeprowadzenie tego eksperymentu wymaga jednak dostępu do źródła trytu. Ten jest bardzo trudno zdobyć. To wysoce radioaktywny izotop wodoru, a jego produkcja, ze względu na zagrożenia, jest ściśle limitowana. Instytut Technologiczny w Karlsruhe ma wyjątkowy na skalę całej Półkuli Zachodniej zakład przetwarzania i recyklingu trytu. Gdy już mamy tryt musimy „tylko” zarejestrować emitowane w czasie jego rozpadu beta elektrony bez zmiany ich energii. Problem w tym, że elektrony te nie mogą przechodzić przez żaden filtr ani inną przeszkodę, gdyż wówczas może dojść do zmiany ich energii. Stąd też pomysł zbudowania wielkiej komory próżniowej i otwartej z jednego końca rury o długości 10 metrów. Tryt wpuszczany jest do rury przez znajdujący się na jej środku specjalny port, a nadprzewodzące magnety otaczające rurę generują pole magnetyczne silnieszje 70 000 razy od pola magnetycznego Ziemi. Naukowcy chcą w ten sposób uzyskać w ciągu sekundy 100 miliardów elektronów.

Później trzeba jeszcze zmierzyć ich energie. I tutaj przychodzi w sukurs komora próżniowa KATRIN. Elektrony, wciąż poruszające się w polu magnetycznym, przedostają się do komory, gdzie pole magnetyczne jest zaledwie 6-krotnie silniejsze od pola magnetycznego naszej planety. Tam elektrony poruszają się dokładnie wzdłuż linii pola. Elektrody w komorze tworzą pole elektryczne o kierunku przeciwnym do ruchu elektronów. Tak więc tylko te elektrony, które mają wystarczająco dużo energii by przedrzeć się przez pole elektryczne, dotrą do czujników na końcu komory. W ten sposób, manipulując właściwościami generowanego w komorze pola elektrycznego, można mierzyć energie elektronów pochodzących z rozpadu trytu.

Wszystko musi być niezwykle precyzyjnie dobrane. Nie tylko właściwości pola elektrycznego. Ciśnienie przy spektrometrach musi być utrzymywane na poziomie 0,01 pikobara, a temperatura źródła trytu będzie utrzymywana na poziomie 30 kelwinów. Pomieszczenie, w którym znajduje się komora ma podłogę zbudowaną z 200 ton betonu wzmocnionego niemagnetyczną stalą nierdzewną, co ma zapobiegać zakłóceniom ze strony zewnętrznych pól magnetycznych. Mimo tego pola takie pojawiały się, dlatego też trzeba było odmagnetyzować cały budynek, co oznaczało konieczność umieszczenia elektromagnesu na każdym metrze kwadratowym ściany.

Wszystko jest już niemal gotowe do pracy. W październiku ubiegłego roku spektrometr był testowany za pomocą działa elektronowego. W ciągu najbliższych tygodni będzie on kalibrowany za pomocą próbki kryptonu-83. Później zostaną podłączone urządzenia konieczne do podawania trytu. Jak mówi Guido Drexlin, już w ciągu pierwszego tygodnia pracy KATRIN dostarczy więcej informacji niż wszystkie dotychczasowe eksperymenty mające na celu zmierzenie masy neutrina. Nie oznacza to jednak, że masę tę poznamy już w przyszłym roku. Naukowcy sądzą, że będą potrzebowali danych z 5 lat pracy, by określić masę neutrina.

KATRIN masa neutrino