A BAJKÁL NEUTRÍNÓKSÉRLET

Kiss Dezső, KFKI RMKI
Tóth Gábor, ELTE fizikushallgató

Az elemi részek világának talán legbizarrabb képviselője a neutrínó, amelynek közismerten az egyik legjellemzőbb és talán legfontosabb tulajdonsága a rendkívül kicsiny kölcsönhatási valószínűsége (a kölcsönhatási keresztmetszet 10^-40 cm² nagyságrendben mozog), azaz ennek következtében rendkívül nagy az áthatoló képessége. A nagy áthatoló képesség előny is, hátrány is: az, hogy a neutrínók gyakorlatilag akadály nélkül tudnak a világűrben repülni, azt jelenti, hogy információt tudnak hozni az Univerzum nagyon távoli részéből, onnan, ahonnan a fény nem tud hozzánk eljutni, mert elnyelődik - a neutrínók zöme viszont akadálytalanul átszeli az Univerzumot. Ugyanakkor ez a rendkívüli közömbösség az anyag iránt "művészi" feladattá teszi detektálásának a megoldását: ha ugyanis nincs kölcsönhatás, akkor hogyan lehet észrevenni jelenlétét. A kölcsönhatási valószínűség egyébként erősen függ az energiától: ennek növekedésével az is erőteljesen nő.

Neutrínókat háromféle forrásból nyerhetünk:

1. gyorsítókból, ahol a keletkezett pionok bomlásából származnak,
2. reaktorokból, ahol a hasadási termékek béta-bomlását kísérik,
3. jöhetnek az Univerzumból (Napból, galaxisokból, szupernóva-robbanásokból, aktív galaxismagokból AGN stb.).

A detektálási mód a különböző forrásoknál eltérő. A gyorsítók és a reaktorok között alig van ebben a vonatkozásban eltérés, körübelül hasonló felépítésűek a detektorok, bár az erősen különböző energiákat természetesen figyelembe kell venni (a reaktorokból általában kis energiájú neutrínók jönnek ki). A neutrínódetektorok felépítése olyan, hogy szendvicsszerűen vannak elhelyezve abszorbens rétegek és koordináta detektorok (például proporcionális kamrák), valamint teljes energiát mérő, azt megszondázó kaloriméterek (például szcintillátorok). A kozmikus sugárzással érkező neutrínók - amelyeknek az energiája széles skálát fog be, és vannak köztük rendkívül nagy energiájúak is - detektálása másképpen történik. Itt az alapnehézségen kívül, miszerint a neutrínók hatáskeresztmetszete rendkívül kicsi, még fellép az is, hogy az Univerzumból származó neutrínók intenzitása igen alacsony, ezért a háttér nagyon súlyosan esik latba.

Víz alatti neutrínódetektorok

A kozmikus neutrínók detektálásához - egyrészt - nagyon sok anyagra van szükség, hogy elég számú kölcsönhatás mehessen végbe, másrészt sok anyag kell, amely körülveszi, védi a kozmikus sugárzás és a környezeti sugárzás egyéb komponenseitől, azaz a háttértől. Egy ilyen detektor elvben klasszikusan, az előbbi minta szerint is felépíthető, de a szükséges nagy méretek miatt rendkívül költséges lenne. Az egyik neutrínókonferencia folyosói beszélgetésében merült fel M. Markov szovjet akadémikus egyszerűségében is lenyűgöző ötlete: miért ne használhatnának fel detektorként tenger vagy valamilyen nagy tó vizét? A tenger vizében ugyanis nukleonokkal ritkán ugyan, de mégiscsak ütközik a neutrínó, ekkor vehemens kölcsönhatás lép fel, felrobbantja azokat és e kölcsönhatásnál töltött részek keletkezhetnek, legtöbbször müonok. A müonok és az egyéb reakciótermékek igen nagy sebességgel mozognak a vízben és így Cserenkov-sugárzást keltenek. Tehát a neutrínók kölcsönhatása során nagyon halvány kékes fényben felvillan az óceán vagy a tó vize. A továbbiakban egyszerűen a fényt kell detektálnunk; az erre alkalmas eszköz a fotoelektron-sokszorozó (FES).

Miután ritkán mennek végbe ezek az események, speciális gondok lépnek fel: lehetőleg nagy térfogatból kell összegyűjteni a kölcsönhatásokat jelző Cserenkov-sugárzást, továbbá - mivel a Cserenkov-sugárzás intenzitása meglehetősen kicsi és abszorbciója a vízben jelentős - nem egy, hanem sok fotoelektron-sokszorozót kell elhelyezni.

Az alapötlet realizálását először az amerikaiak próbálták meg. A hawaii-partok mentén egy víz alatti neutrínódetektort kezdtek el építeni 5000 m mélyen a tengerben. Azt tervezték, hogy körübelül 160 000 (!) sokszorozót helyeznek el "húr"-okra (fémhuzal, string) felfüggesztve. A berendezés neve az angol szó rövidítéséből DUMAND (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector). Ilyen berendezés megvalósítása rendkívül nagy technikai kihívást jelent: képzeljük el, hogy százezer nagyságrendű elektronsokszorozót kell elhelyezni rendkívül nagy mélységben, ahol a víz nyomása nagyon komoly gondot okoz a FES-ek tervezésénél, ahol 3000 V körüli feszültséget kell eljuttatni minden egyes sokszorozóhoz, ahol viszonylag gyenge elektromos jeleket kell nagy távolságon felhozni a felszínre és ahol a fizikus számára teljesen szokatlan jelenségek lépnek fel, így például világító halak (háttér!), tengeri áramlatok stb. A FES-eknek nagy felülettel kell rendelkezniük, erre a célra japán Hamamatsu típusú sokszorozót használtak. Első próbálkozásként mindössze 5 sokszorozót engedtek le a mélybe. Sajnos a tengeri áramlatok elszakították a húrt és a sokszorozók elvesztek. Ez még kétszer ismétlődött meg nagyobb időintervallumokban és világosan látszott, hogy a telepítés messze nem egyszerű, nagyon sok problémát vet fel. Olyan sokat és olyan súlyosat, hogy az amerikaiak körübelül 10 éves próbálkozás után feladták elképzelésüket és lemondtak a DUMAND projekt megvalósításáról.

Ugyanakkor némi késéssel Markov akadémikus ötletének megvalósítását megkezdték a Szovjetunióban is, a Bajkál-tavon.

Néhány évvel ezután görög kollégák úgy döntöttek, hogy a görög partok közelében is felépítenek egy hasonló detektort, amely a NESTOR nevet kapta. Jelenleg a detektor építése folyik. A franciák is készülnek Marseille közelében egy detektorépítésre (ANTARES), ők még kezdetibb stádiumban vannak. Egy másik érdekes és már előrehaladottabb elképzelés az, hogy az Antarktisz jegébe fúrnak lyukat és ide engednek le fotoelektron-sokszorozókat. Ez a berendezés, amelyet AMANDA-nak hívnak, már elkezdte a működését. Nagyon sok, nagyon érdekes technikai problémával szembesülnek, de már elkezdték a neutrínók detektálását.

A Bajkál-kísérlet

A Bajkál-tónak vannak előnyei és hátrányai is a hawaii-szigetekkel szemben. Hátrányai közé tartozik, hogy a mérési mélység nem 5000 m, "csak" körübelül 1200 m, ami elégséges ugyan, de természetesen minél nagyobb a mélység, annál jobban árnyékol a kozmikus háttér ellen. Meglepetést okozott, hogy kiderült: a Bajkál vize tiszta ugyan, de nem olyan átlátszó, mint a hawaii-tengeré, annak ellenére, hogy természetesen ivásra és biológiai célokra teljesen megfelel. Később, éppen a jelen kísérletek során kiderült, hogy világító mikroorganizmusok is vannak benne, ezek háttérfényt okoznak és sötét áramot keltenek a sokszorozókban. Ezzel szemben óriási előnye a Bajkálnak, hogy a telepítést jégről lehet elvégezni és ez a tapasztalat szerint minden hátrányt kompenzál. A Bajkál-tó ugyanis az év egy jelentős részében, több hónapon át be van fagyva, a jég vastagsága február végén, március elején körübelül 1 m­t ér el, úgyhogy a felületén teljesen nyugodtan lehet teherautókkal közlekedni. A sokszorozók telepítése olyan körülmények között történik, mintha a földön állnánk és a földön végeznénk a telepítés munkáját. A jégen minden sokkal egyszerűbb:1,5x1,5 m-es lékeket vágunk és itt engedjük le a sokszorozókat. A jég elolvadása után bóják tartják fenn a teleszkópot. Az áramlások sokkal szelídebbek, mint a hawaii part menti vizekben. Egyébként rendszeresen figyeljük a berendezés esetleges mozgását (lásd később). A nagyfeszültségű és a jelkábelek a tó fenekére leengedve futnak ki a körübelül 4 km-re levő partra, ahol egy még a régi cári időkből megmaradt, meglehetősen rozoga faházban levő modern komputerközpontba jutnak az adatok és számítógépes feldolgozásra kerülnek. Kezdetben mindössze 36 elektronsokszorozót használtak, ezek számát szisztematikusan növeljük, jelenleg 200 sokszorozó beüzemelése zajlik.

A kollaboráció gyakorlatilag orosz bázisú, a kezdeti stádiumban kelet-németek és magyarok vettek részt. A kelet-németek, mint ilyenek formálisan kiestek Németország egyesítésénél, de bennmaradtak, mint az egységes Németország kutatói, sőt erősítették a pozíciójukat. Sajnálatos módon a rendszerváltás idején politikai és pénzügyi okokból lehetetlenné vált a magyarok e kísérletben való részvétele. Néhány év kiesett ugyan, de jelenleg olyan stádiumban vagyunk, amikor reméljük, hogy részvételünket fel lehet újítani. A németek nemcsak több emberrel és pénzzel szálltak és szállnak be a mérésbe, hanem hazai bázisra támaszkodva eljutottak még az Antarktiszra is és az AMANDA-projektben is részt vesznek. A kollaborációban összesen mintegy 100 fizikus, mérnök és technikus különféle egyetemekről és kutatóintézetekből vesz részt. Magyarországról érintett a kísérletben a KFKI RMKI és az ELTE Atomfizikai Tanszéke. A magyar csapat kis létszámú, jelenleg 7 résztvevője van. A kísérlet költségét nagyon nehéz megbecsülni, valószínűleg 100 millió dollár lesz a teljes kiépítésig, ami figyelembe véve a részecskefizika és asztrofizika igen nagy költségű berendezéseit, nem tekinthető különösen soknak. A kísérlet meglehetősen lassan halad, ami hazai kollegáink egy részénél értetlenséget váltott ki. Ez nagyrészben a mérés és mérőkészülék természetében rejlik; nagyon meggyorsítani nem lehetett volna. Figyelembe kell még vennünk, hogy a történelmi események, az anyagi helyzet drámai romlása is lelassították kísérletet. Egyébként a kísérlet orosz vezetője, G. V. Domogatszky professzor olyan típusú elméleti fizikus, akinek a filozófiája a meggondolt, megfontolt, körültekintő munka. Úgy tűnik ez eredményes volt, hiszen miénk az első berendezés, amely megvalósult és amely már fizikai eredményeket szolgáltat.

A kísérleti berendezés¹

Az 1. ábra a Bajkál-tó kontúrját és a kísérlet helyét mutatja. A 2. ábrán láthatjuk a teleszkóp elhelyezésének vázlatát, a 3. ábrán pedig leegyszerűsített strukútráját.

1. ábra A kísérlet elhelyezése a Bajkál-tavon.

2. ábra A neutrínóteleszkóp vázlatos elhelyezése a tóban.

A telepítésnél nagyon sok olyan ismeretre is van szükség, ami nem tartozik szükségképpen a kísérleti fizikusok mindennapi ismeretei közé. Amikor elolvad a jég, az egész berendezést bóják tartják fenn. Az óceánográfusok tapasztalatainak megfelelően nem egy nagy bóját, hanem sok kis bóját kell használni. A detektorrendszert a tó fenekén horgonyok rögzítik.

3. ábra A HEPTAGON vázlata

A neutrínódetektor (teleszkóp) alakja szabályos hétszögalapú hasáb (heptagon). Központi hétszögletű fémkeretből, az abból kinyúló karokból, valamint a középpontból és a karok végéből kiinduló huzalokból (string) áll. A központi keret körülbelül 1100 m mélyre van süllyesztve. Egy külön, úgynevezett hidrometrikus huzalon elhelyezett egységek szolgálnak a víz paramétereinek mérésére (például vízáramlás sebessége, hőmérséklet, nyomás, hangsebesség a vízben, optikai paraméterek stb.). A detektor pontos helyének meghatározásához 6 db ultrahangforrás helyezkedik el egy 600 m élhosszúságú szabályos hatszög csúcsain, aminek középpontja a hidrometrikus huzal. Ezek a források elemmel működnek. Maga a heptagon körülbelül 200 m-re van a hidrometrikus huzaltól.

A detektor alapegysége az úgynevezett "szvjaszka" (4. ábra), ami két pár egymással szembe néző (alulról, illetve felülről jövő fény detektálása) optikai modulból és a szvjaszka elektronikai modulból (SM) áll. Egy huzalon 6 szvjaszka helyezkedik el (lehet mérni az alsó és a felső OM-ek jelei közötti időkülönbséget). A modulok egyforma nyomásálló üveggömbökben találhatók, amelyek a kerületükön körbefutó fémbilinccsel a huzalhoz erősítették. Található még a heptagon tetején egy kalibráló lézer is, amelynek fényét optikai kábelek juttatják el az egyes OM párokhoz, valamint az egyik huzal alján egy másik kalibráló lézer, melynek fényét a víz közvetíti.

4. ábra A "szvjaszka" elektromos modul.

Az optikai modul (OM; 5. ábra) lelke az úgynevezett QUASAR-370 típusú fotoelektron-sokszorozó. Két részből áll: egy elektrooptikai előerősítőből és egy szokványos kisméretű fotoelektron-sokszorozóból (UGON). Természetesen a kis fényintenzitás miatt nagyfelületű FES-ekre van szükségünk, erről a nagy felületről kell minél rövidebb idő alatt a Cserenkov-sugárzás által keltett elektronokat összegyűjteni. A detektálási idő drasztikus csökkentése érdekében a fotoelektron regisztrálást két lépcsőben oldjuk meg: első lépésként a nagyfelületről induló fotoelektronokat igen nagy (körübelül 25 000 V) feszültséggel felgyorsítjuk és ráfókuszáljuk a nagy felületű QUASAR középpontjában levő, kis méretű UGON-ra. Ez utóbbira ittrium-szilikát (YSiO, Y₂SiO₅) van elhelyezve, amelyben a QUASAR-ről érkező fotoelektronok fényt keltenek és ezt alakítja elektromos jellé a közönséges FES, az UGON.

A teljes optikai modult egy közel gömb alakú nyomásálló üvegházban helyezték el, ami két félgömbből áll. A félgömböknek kiszélesedett peremei teljesen sík és tökéletes illeszkedést biztosít számukra. A ház hermetikus lezárása úgy történik, hogy az összeillesztett félgömbök közül a levegőt kiszivattyúzzuk körülbelül fél atmoszféra nyomásra. Az egyik félgömbbe ragasztják bele a QUASAR-t, úgy, hogy a fizikai rögzítést és az optikai kontaktust egyszerre oldják meg. Ezt egy két komponensű szilikonzselével érik el. Mikor a zselé megszilárdul, akkor apró buborékok keletkezhetnek benne, amik a levegő kiszívásakor akár több cm-esekre is hízhatnak. Ezért a zselé tetejére egy sokkal keményebb, de azért még rugalmas poliuretán réteg kerül.

5. ábra. A QUASAR és benne az UGON

A két QUASAR koincidenciába van kapcsolva. A koincidencia feltétele, hogy két OM megszólalása közötti idő kisebb legyen 30 ns-nál.

Az összes használatban levő kábel normál árnyékolt rézhuzal, kivételt a hidrometrikus huzal tápellátásnak vezérlése képez. Ez kísérleti jelleggel optikai kábellel van bekötve.

A partmenti állomáson egy transzputer-farm van, amely, mint egy önálló hálózat veszi a beérkező adatokat és nyomban osztályozza őket (például a különböző triggerelési szempontok szerint) és a már részben feldolgozott adatokat továbbítja a Host számítógépnek, amely befejezi az adatok feldolgozását. Talán meglepő, hogy a két főgép 386 alapú, azonban ezek bizonyultak a legstabilabbaknak. A detektortól független egységként található továbbá egy SUN számítógép, amely egy műholdas adóvevő antennához csatlakozik és ezen keresztül a világhálós összeköttetést biztosítja. Ennek nem a legfontosabb, de nagyon kellemes mellékterméke, hogy a Bajkál-tó partjáról a parti állomásról elektronikus levelet lehet küldeni például a KFKI-ba.

Néhány érdekesség

1. Megvizsgálták az elmúlt néhány évben a Bajkál-tó környéki kisebb-nagyobb földrengések függvényében a mért adatokat és semmiféle korrelációt nem találtak. Ez azt jelenti, hogy a detektor érzéketlen a kisebb földmozgásokra.
2. A felfelé néző optikai modulok felületére körülbelül fél év alatt annyi üledék rakódik le, hogy a detektálási valószínűség a harmadára (!) csökkent. Ráadásul a tóban élő mikroorganizmusok valamiért szeretnek a modulok félgömbjeire telepedni. A bennük lejátszódó kémiai folyamatok időnként apró fényfelvillanásokkal járnak, ami természetesen háttérzajt jelent. Ezt úgy próbálják orvosolni, hogy az optikai modulokra egy igen hegyes kúp alakú "sapka" kerül, amin az üledék csak kis mennyiségben tud megtapadni. A sapka belsejében olyan folyadék van, amely lassú kiszivárgása során elpusztítja vagy "elriasztja" a mikroorganizmusokat.
3. Gondot okoz, hogy a OM-párok elforoghatnak a huzal körül és ez elég nagy hely- (és így idő-) bizonytalanságot jelent. Ez a közeljövő egyik megoldandó feladata. Emellett az ez évi cél: az optikai kábelek kipróbálása és a teleszkóp 144 egységről 200 egységre való kibővítése.

Fizikai eredmények

A Bajkál-kísérlet elsősorban asztrofizikai (Földön kívüli) nagy energiájú neutrínóforrások keresése, másodsorban neutrínófizikai (neutrínóoszcilláció, monopólusok, WIMP² annihilációban keletkező neutrínók észlelése stb.) problémáknak a vizsgálatát tűzte ki célul. Az első tesztkísérlet (még csak a 36 elektronsokszorozóval) megpróbálta igazolni a mágneses monopólusok létezését. A protonoknak a Nagy Egyesített Elmélet (GUT) jóslásának megfelelően el kell bomlaniuk. Egy másik elmélet szerint ezt a bomlást monopólusok közelléte katalizálhatja, meggyorsíthatja, tehát, ha a protonok bomlanak, ha léteznek mágneses monopólusok, és ha a mágneses monopólusok valóban gyorsítják a protonbomlást, akkor berendezésünkben protonbomlásnak megfelelő jeleket fogunk észlelni. Nem találtunk szignifikáns jeleket, amik monopólusok létezésére utalnának, de meg tudtunk adni egy felső határt, ami jobb, mint az eddig ismert felső határok.

A Bajkál-kísérletet nem kellett feladni, sikeres, jelenleg az egyetlen működő és már fizikai eredményeket szolgáltató víz alatti neutrínódetektor. Sikerült vele néhány tucat "alulról jövő", azaz az egész Földön áthatoló neutrínót detektálni, ami szenzációszámba megy. Ezen neutrínók jelentősége az, hogy megszűri őket a földréteg és a háttér jelentős részét képező, az atmoszférikus neutrínók kölcsönhatásából származó müonok nem jutnak el a mérőberendezéshez.

Várható, hogy évenként... ilyen neutrínót lehet észlelni. Ez fontos lehet például a neutrínóoszcilláció kimutatása szempontjából. A tényleges nagyenergiájú neutrínó-mérések a 200 egységből álló, ezideig véglegesnek tekintett teleszkóp megépítése után kezdődhetnek meg. A későbbi tervekben elképzelhető e teleszkóp méretének és egységei számának lényeges növelése.

Irodalom

Nucl. Instr. and Meth. A248(1986) 219
Nucl. Phys. B14(1990) 51
Nucl. Phys. B28A (1992) 491
Astroparticle Phys. 7(1997) 263

______________________

¹ A Bajkál a világ második legnagyobb édesvízű tava, hossz:a mintegy 600 km, szélessége 30 km körül van. A teleszkóp a parttól mintegy 4 km-re helyezkedik el (1. ábra). A szálloda, ahonnan a külföldi vendégkutatók kimennek a kísérlet színhelyére körülbelül 40 km-re van, ezt teherautóval tesszük meg a jég felületén. A jégen egy generátor van, ez látja el árammal a lakókocsiszerű építményeket, amelyekben az elektronika, az elektromos műhelyek vannak és amelyek kívánság szerint a kollaborációban résztvevők némelyikének szállásául is szolgálhatnak. A fűtés történhet elektromosan a generátorból, vagy - romantikusabban - a parti erdő fái segítségével dobkályhákban. A parton levő házban vagy lakókocsikban van a többség szállása és itt gondoskodik egy szibériai család az ellátásról is. A kísérlet szerencséje, hogy itt megy el a régi transzszibériai vasútvonal egy szárnyvonala, amely a Moszkvában berakott készülékeket közvetlenül a mérési helynél rakja le, ami meggyorsítja és leegyszerűsíti a szállítást. (Mellesleg rendszeresen szállít gyerekeket is az irkutszki iskolába, "school-train".)
² Weakly Interacting Massive Particles (gyengén kölcsönható nagy tömegű részecske)