Adam PARA i Agnieszka ZALEWSKA

 

EKSPERYMENTY NEUTRINOWE W CERN-ie

 

 

Neutrina działają na wyobraźnię fizyków. Są jak kapryśne primadonny, które bardzo trudno namówić na występ, ale jak już się to uda, to spektakl jest wspaniały.  Po raz pierwszy pojawiły się na scenie w 1930 roku, kiedy Wolfgang Pauli zaproponował ich istnienie, aby ratować prawo zachowania energii w jądrowych rozpadach b-. Niezwykły start jak na czasy, kiedy metodologia nauk przyrodniczych nie szanowała hipotez. Nic więc dziwnego, że Pauli w swym słynnym liście do "Drogich Radioaktywnych Pań i Panów"  propozycję istnienia nowych, bardzo lekkich cząstek neutralnych nazwał "desperackim pomysłem".

 

Od tego czasu neutrina szereg razy dostarczyły informacji wielkiej wagi o strukturze materii i jej oddziaływaniach.  Najnowszy taki wynik pochodzi z ostatnich kilku lat i dotyczy obserwacji przechodzenia w siebie różnych rodzajów neutrin, które tłumaczone jest ich oscylacjami. Po raz pierwszy zaobserwowane w 1998 roku w eksperymencie SuperKamiokande, a następnie potwierdzone w eksperymentach K2K, SNO i KamLAND, oscylacje neutrin oznaczają, że neutrina mają niezerową masę, w sprzeczności z tym, co zakładano przez dziesiątki lat. Konsekwencje tego faktu nie są jeszcze do końca zrozumiane, ale nie ulega wątpliwości, że  wskazuje on na istnienie "nowej fizyki" wykraczającej poza Standardowy Model oddziaływań. Dopuszczalne przez eksperyment masy neutrin są drastycznie mniejsze od mas kwarków i naładowanych leptonów. 

 

Bardzo naturalna i popularna interpretacja teoretyczna mówi, że neutrina, jako jedyne spośród elementarnych fermionów, są cząstkami typu Majorany czyli że neutrino jest identyczne z antyneutrinem. Konsekwencją tego byłoby niezachowanie całkowitej liczby leptonowej w oddziaływaniach neutrin. Oznacza to też, że badania neutrin mogą stanowić nieocenione źródło informacji o fizyce przy skalach energii znacznie większych niż te, które będą dostępne z akceleratorów w dającej się wyobrazić przyszłości.

 

Neutrina oddziałują wyłącznie słabo. Ich przekrój czynny na oddziaływanie jest tak mały, że neutrino o typowej dla rozpadów jądrowych energii 2.5 MeV przed oddziaływaniem przeleciałoby w wodzie odległość porównywalną z grubością dysku Galaktyki.  Wobec tego eksperymentalne badania neutrin wymagają ogromnych detektorów i intensywnych źródeł neutrin.  Fizycy dość wcześnie nauczyli się budować, z biegiem czasu coraz intensywniejsze, wiązki tzw. neutrin akceleratorowych. Protony, przyspieszone w akceleratorze, wyprowadzane są na zewnątrz i rozpraszane na tarczy.  Powstające w oddziaływaniach mezony p, z domieszką mezonów K, separuje się i ogniskuje magnetycznie. Neutrina nm, pochodzące z rozpadów mezonów, tworzą pożądaną wiązkę neutrinową.  Pierwsze wiązki neutrinowe zbudowane zostały na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku w Brookhaven National Laboratory w USA i w CERN-ie. 

 

Tym sposobem badania neutrin stały się jednym z sztandarowych kierunków badań  CERN-u. Przez długie lata podstawowymi CERN-owskimi detektorami neutrin były komory pęcherzykowe. Po raz pierwszy oddziaływanie neutrin zaobserwowano w takiej komorze w 1963 roku. Na trwałe do historii fizyki cząstek zapisała się komora Gargamelle, zbudowana we współpracy francusko - CERN-owskiej z inicjatywy A.Lagarrique'a. Ukończona w Saclay w 1970 roku, zbieranie danych rozpoczęła w CERN-ie w 1971 roku.  W 1973 roku współpraca Gargamelle ogłosiła jeden z najważniejszych wyników naukowych CERN-u czyli obserwację prądów neutralnych. Pokazano zdarzenie odpowiadające elastycznemu rozpraszaniu antyneutrina mionowego na elektronie oraz przypadki oddziaływań inicjowanych przez neutralne cząstki bez elektronów i mionów w stanie końcowym, ale z rozkładem hadronów charakterystycznym dla oddziaływań neutrin. Obserwacja prądów neutralnych była pierwszym faktem doświadczalnym potwierdzającym młodziutką wówczas teorię unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych.  Panuje pogląd, że gdyby P.Musset, czołowy fizyk współpracy Gargamelle, nie umarł zbyt szybko po tym odkryciu, CERN celebrowałby jedną więcej Nagrodę Nobla z fizyki.

 

Rolę komory Gargamelle przejęła największa w historii CERN-u komora pęcherzykowa, którą był BEBC (skrót od nazwy Big European Bubble Chamber). Naświetlana ona była wiązkami, m.in. neutrin, zbudowanymi w oparciu o protony przyspieszane w akceleratorze SPS. Równolegle na wiązce neutrin z SPS-u prowadzony był elektroniczny eksperyment współpracy CDHS (skrót od CERN, Dortmund, Heidelberg, Saclay), który po włączeniu się grupy warszawskiej przyjął nazwę CDHSW.

 

Lata dziewięćdziesiąte stały pod znakiem poszukiwań oscylacji neutrin. Ten kierunek badań reprezentowały w CERN-ie eksperymenty CHORUS i NOMAD, które, stosując różne techniki detekcyjne, poszukiwały przejść neutrin mionowych w neutrina taonowe. Wynik był negatywny. Nic dziwnego, bo jak pokazał eksperyment SuperKamiokande, aby efekt oscylacji zaobserwować, detektory CHORUS i NOMAD powinny być ustawione w odległości od źródła neutrin około tysiąc razy większej niż to miało miejsce. Tak właśnie będzie w przypadku eksperymentów OPERA i ICARUS, których detektory staną w laboratorium Gran Sasso we Włoszech, w odległości 730 km od CERN-u. Wiązka neutrin mionowych z CERN-u do Gran Sasso o średniej energii około 20 GeV przejdzie od szeregiem malowniczych miejsc, np. pod Alpami i Florencją. Prace przy budowie wiązki w CERN-ie postępują zgodnie z harmonogramem i planowany start  przewidziany jest w 2006 roku.

 

Polacy brali udział w eksperymentach neutrinowych w BEBC-ie, w eksperymentach CDHS-CDHSW, a obecnie - w eksperymencie ICARUS. Opiszemy je dokładniej.  Wspomnienia jednego autora (A.P.) z eksperymentów CDHS-CDSW pokazują, że wybór ciekawego eksperymentu stanowi nie tylko naukową, ale wręcz życiową przygodę człowieka jak i to, ze taka indywidualna przygoda może stać się przygodą całej grupy ludzi. Z kolei drugi autor (A.Z.) życzy sobie, aby kiedyś można było to samo powiedzieć o eksperymencie ICARUS.

 

 

Neutrina w komorze pęcherzykowej BEBC

        

Pierwsze naświetlenia BEBC-u  wiązką neutrin wytworzoną w oparciu o protony z akceleratora SPS miały miejsce w 1977 roku. W ciągu kilku lat zbierania danych komora napełniana była ciekłym wodorem, deuterem i neonem i "oglądała" wiązki o różnych charakterystykach czasowych i energetycznych, zarówno neutrin jak i antyneutrin. Te różne warunki naświetleń znajdowały odbicie w numerach eksperymentów, zawsze poprzedzanych literami WA (skrót od nazwy hali eksperymentalnej West Area). T. Coghen z Krakowa uczestniczył w dwu eksperymentach: WA21 z komorą napełnioną wodorem i WA59 z komorą napełnioną neonem. Pierwszy z nich rozpoczął się w 1977 roku i z przerwami trwał do 1983 roku, a drugi zbierał dane w 1980 roku. Wyniki analizy danych opublikowane zostały w ponad 20 publikacjach.  Jedna z analiz, będąca przedmiotem pracy doktorskiej W. Burkota, została całkowicie przeprowadzona w Krakowie. Dotyczyła ona porównania produkcji hadronów w oddziaływaniach neutrin i antyneutrin z jądrami wodoru i neonu dla procesów z wymianą prądów naładowanych. Analizując rozpraszanie neutrin na neonie i porównując je z rozpraszaniem na wodorze stwierdzono znaczące opóźnienie procesu formacji szybkich hadronów w porównaniu z przewidywaniami.

 

Od CDHS do CDHSW (A.P.)

 

Lata siedemdziesiąte były okresem ciekawym i brzemiennym w skutki: poszukiwania nowych dróg, próby znalezienia sensu skomplikowanej rzeczywistości, odważne pomysły nowych rozwiązań doprowadziły do ustanowienia nowego porządku, nowego spojrzenia na świat, zupełnie zmieniły kanony i reguły. Wiele rzeczy wydaje się proste i oczywiste z perspektywy czasu, ale zupełnie inaczej było wtedy, kiedy wszystko  było zawikłane i nieoczywiste.  Wiele decyzji i wyborów, często dokonywanych intuicyjnie, bez pełnego zrozumienia sytuacji oraz bez pełnego kompletu informacji wpływało na losy tych, którzy wybierali, jak również wielu innych..

 

Taki wstęp pasuje zapewne do wielu różnych historii, w tym przypadku dotyczy on warszawskiego doktoranta, który wylądował w CERN-ie w 1978 roku. Pięć lat spędziłem analizując dane zebrane przy pomocy komór pęcherzykowych. To było stosunkowo łatwe: gdzieś, ktoś zbudował komorę, wyprodukował wiązki cząstek elementarnych, zrobił i wywołał zdjęcia. Fotografie oddziaływań w komorze pokazują akty oddziaływań cząstek wiązki z protonami (wodór) lub cięższymi jądrami. W tych oddziaływaniach produkują się nowe cząstki. Czasem dwie, czasem cztery lub pięć. Czasem więcej. Czasem dwie cząstki lecą razem, czasem lecą w rożne strony. Dlaczego? Jakie prawa tym rządzą? Im dłużej  o tym myśleć, tym bardziej się wydaje, że jest to najważniejszy problem na świecie i trzeba się na tym właśnie skupić. Praca doktorska była prowadzona w ramach współpracy  wielu laboratoriów europejskich. CERN jest siedzibą "kwatery głównej" współpracy więc całkiem oczywiste jest, że należało kontynuować rozpoczęte badania. Nie bez znaczenia jest też fakt ze znałem tu kilka osób, co przy ubogim angielskim jest całkiem istotne.

 

Z drugiej strony, zwyczaje CERN-owskie są takie, że każdy nowoprzybyły musi wykonać rundę wokół laboratorium i zapoznać się z różnymi doświadczeniami, zanim podejmie decyzję o tym, do którego się przyłączyć. Pomysł niby dobry, ale fizyka cząstek elementarnych w połowie lat siedemdziesiątych była taka skomplikowana. Jaki jest cel tego doświadczenia? Dlaczego? Po co? Trudno zrozumieć o co chodzi, a w dodatku techniki doświadczalne zupełnie nieznane. W komorze pęcherzykowej wszystko widać gołym okiem a tu są liczniki, komory, elektronika… Czy potrafię cokolwiek z tego zrozumieć??

 

Tyle tylko pamiętam z tego obchodu CERN-u, że Pierre Darriulat usiłował mnie przekonać, że jego doświadczenie, UA2, będzie dużo prostsze i łatwiejsze niż UA1, które budował Carlo Rubbia i dlatego będzie miało większe szanse sukcesu w postaci odkrycia cząstki W. Propozycja, aby coś zrobić prościej, lepiej i szybciej brzmi zawsze bardzo interesująco, ale jakoś nie bardzo wierzyłem, że tak ciężkie cząstki naprawdę istnieją i wydawało mi się, że to będzie prawdopodobnie strata czasu[i]. Komory pęcherzykowe to było ''to'' i trzeba koniecznie zrozumieć jak te cząstki się produkują w zderzeniach.

Z drugiej strony.. Co z neutrinami? Amerykanie opublikowali wiele zaskakujących wyników. Normalnie, oddziaływujące neutrino zamienia się w mion: ujemny, jeżeli wiązka jest neutrinowa albo dodatni, gdy wiązka jest antyneutrinowa. Doświadczenia w Fermilabie pokazały, że czasem pojawiają się dwa miony. Bardzo rzadko, ale obserwowano też trzy miony. Zarejestrowano nawet przypadek, w którym wyprodukowały się cztery miony. Niespodzianek było więcej. Jedno z amerykańskich doświadczeń, HPWF, pokazało anomalne wyniki, sugerujące, że coś całkiem nowego się dzieje przy wysokich energiach: zmienia się charakter oddziaływań wiązki antyneutrin. Drugie doświadczenie, CITF,  nie potwierdziło takiego efektu..

 

CERN właśnie zbudował intensywną wiązkę neutrin, dwa nowe doświadczenia właśnie zaczęły zbierać dane. Okazja, aby być świadkiem nowych odkryć? Nauczyć się czegoś zupełnie nowego? Wyglądało bardzo kusząco, ale z drugiej strony.. Czy mnie tam w ogóle będą chcieli? Czy będę w stanie coś zrobić w trakcie rocznego stażu?  Rok w CERN-ie to okazja, aby się czegoś nauczyć, wiec nie można jej zmarnować... Ryzyk-fizyk, spróbuję...  Z duszą na ramieniu zgłosiłem się do Jacka Steinbergera, szefa współpracy CERN-Dortmund-Heidelberg-Saclay (CDHS).

 

Dwa lata minęły jak z bicza strzelił. Przy wydatnej pomocy wszystkich kolegów okazało się, że można się całkiem szybko zorientować w gąszczu kabli, szaf z elektroniką, butli z gazem itd.. Analiza wyników była fascynująca:  intensywna wiązka i dobry detektor dostarczył wielu nowych informacji. Interpretacja zmieniała się wraz z nowymi pomysłami teoretycznymi, a wyniki pomiarów inspirowały nowe idee.

 

Po pierwsze: nie było żadnych anomalii. Natura lubi prostotę. Wyniki HPWF były zapewne skutkiem błędów doświadczalnych. Były natomiast przypadki z dwoma, a nawet trzema mionami. Skąd się wzięły? Być może w naszej wiązce oprócz neutrin były też jakieś inne cząstki, nazwijmy je X, które były produkowane w tarczy i których oddziaływania dawały dwa lub trzy miony ? Aby sprawdzić tę hipotezę zrobiliśmy nowe doświadczenie, ustawiając zaraz za tarczą wielki blok absorbera. Nie pozwolił on na to, aby piony i kaony się rozpadły, więc prawie nie powinno być  neutrin w wiązce. Detektor powinien "widzieć" głównie cząstki X , więc większość oddziaływań powinna mieć dwa lub trzy miony. Sprytne. Taki eksperyment nazywa się "beam dump". Z zapartym tchem śledziliśmy nowe dane: oddziaływań było bardzo mało, jak się należało spodziewać, ale też żadnych oddziaływań z dwoma lub trzema mionami. Nie ma więc cząstek X! W międzyczasie szczegółowa analiza przypadków z dwoma mionami dostarczyła odpowiedzi na pytanie skąd się one biorą: to proste. Oddziaływanie z neutrinem zamienia kwark "d" lub "s" na kwark powabny. Ten z kolei się rozpada i w co dziesiątym rozpadzie produkuje się dodatni mion i to są właśnie te przypadki z dwoma mionami. No dobrze, a co z trzema mionami ? To było jeszcze prostsze: "normalny" mion z oddziaływania neutrina, biegnący przez żelazny detektor, może wyprodukować wirtualny foton, który może ulec konwersji na parę m+ m-.  Nihil novi... Aż tu plotka: grupa analizująca oddziaływania w komorze pęcherzykowej BEBC znalazła trzy przypadki z elektronem zamiast mionu. Szybko przeanalizowaliśmy nasze dane: w żelazie nie można "zobaczyć" elektronu, ale rzeczywiście był nadmiar przypadków, które były zgodne z hipotezą, że wyprodukował się w nich elektron. Obecność elektronu oznaczała, że w detektorze pojawiły się neutrina elektronowe. Skąd?

 

W międzyczasie grupa w Heidelbergu analizowała oddziaływania "prądów neutralnych" to jest takich, gdzie neutrino zachowuje swoja tożsamość, a nie zamienia  się w lepton naładowany. Częstość występowania tych oddziaływań w porównaniu z tradycyjnymi oddziaływaniami (prądy naładowane), jest miarą nowej stałej Przyrody: kąta mieszania, zwanego też kątem Weinberga. Z ogólnych argumentów symetrii należało się spodziewać  wartości 3/8 (przynajmniej tak się wydawało w połowie lat siedemdziesiątych). Pomiar był dosyć skomplikowany i trzeba było być bardzo uważnym. Wynik: 0.23 z błędem 0.02. Przez pewien czas ten wynik był ignorowany, ale został wkrótce potwierdzony przez inne grupy. Nowe teorie w międzyczasie przewidziały wartość 0.20.  Lepiej.. ale jeszcze nie całkiem dobrze..

 

Przenikliwe neutrina świetnie nadają się do "prześwietlenia" protonu, całkiem tak jak zdjęcie rentgenowskie. Zrobiono to już w SLACu przy pomocy wiązki elektronowej i okazało się, że w protonie są jakieś mniejsze 'składniki". Porównanie z podobnym "zdjęciem w świetle neutrinowym" pomogło rozgryźć zagadkę budowy protonu: pozwoliło ono w szczególności pokazać, że proton zawiera trzy kwarki o ułamkowych ładunkach elektrycznych.

 

W połowie lat siedemdziesiątych rodziła się, w bólach, nowa teoria sil jądrowych: chromodynamika kwantowa. Przewidywała ona, że otrzymany obraz protonu powinien zależeć od energii wiązki: im wyższa energia tym więcej składników powinno być widać. Interpretacja wyników doświadczalnych jest bardzo skomplikowana i łatwo jest oszukać samego siebie. Kilka niezależnych grup prowadziło analizę i porównywało wyniki. Po wielu miesiącach ogłosiły, że wszystko się zgadza z chromodynamiką! Miałem wielkie szczęście, bo tuż przed końcem stażu zaproszono mnie do wygłoszenia referatu przeglądowego na ten temat na sympozjum w Fermilabie koło Chicago.  Dobry koniec fascynującej przygody naukowej.

 

Doświadczenie CDHS w CERNie wkraczało w drugą fazę, jaką była budowa nowego, lepszego detektora. Miało to kosztować kilka milionów franków szwajcarskich, ale na pewno wyniki były tego warte. Szkoda tylko, że nie mogłem w tym  brać udziału. Chyba, żeby... Nie, to przecież niemożliwe. Udział Warszawy w eksperymencie? Przecież my nie mieliśmy ani pieniędzy (tzw. "twardych", jak się wtedy mówiło), ani żadnego doświadczenia w budowaniu aparatury w tej skali. A może? Kilka rozmów  z profesorem Sosnowskim przy kawie, jego dyskusje z profesorem Wróblewskim i resztą grupy warszawskiej doprowadziło do sformułowania wniosku, że można znaleźć fundusze na produkcję aparatury, ale nie można ryzykować polskich materiałów. To odbiło piłkę na stronę kolegów z CDHS: czy można coś zrobić "na spółkę"? Wy materiały, a my robociznę, kontrolę jakości i uruchomienie. Trochę z niedowierzaniem, ale za to z dużą dozą sympatii, w końcu dogadaliśmy się. Grupa warszawska przystąpiła do współpracy, która odtąd nazywała się  CDHSW.

 

Wspólnie z Uniwersytetem w Dortmundzie zbudowaliśmy skomplikowane światłowody zbierające impulsy świetlne z detektora. Niemcy dostarczyli plexi i klej optyczny. Postawili jednak warunek: musieliśmy zbudować formy i pokazać, że tolerancje mechaniczne będą co najmniej takie same jak w Dortmundzie. Trzeba było zbudować 1200 światłowodów, każdy złożony z 10 płytek z plexiglasu. To była skala pół-przemyslowa i wymagała gruntownej reorganizacji naszych pomieszczeń. Panie, które zajmowały się oglądaniem zdjęć z komór pęcherzykowych, zaczęły ćwiczyć obróbkę plastyczną plexiglasu. W międzyczasie p. Szczepankowski pojechał do Dortmundu z pierwszą formą zrobioną w naszych warsztatach. Nasz niemiecki był taki sobie, ale co tu było dużo gadać, skoro forma była super i spotkała się z pełnym uznaniem dortmundzkich kolegów. Oblaliśmy tę konkluzję wieczorem doskonałym piwem lokalnym.  Zapał zespołu nie gasł, chociaż po jakimś czasie produkcja zaczęła się trochę dłużyć. Miejsca też zaczęło brakować na składowanie ukończonych światłowodów. Czuwanie nad płynnością dostaw nie było proste, ale doc. Szeptycka panowała nad sytuacją. Wysyłka produktu końcowego do CERNu to też był problem, który należało rozwiązać. Po roku hektycznych wysiłków światłowody były w CERNie.

 

W międzyczasie Uniwersytet w Heidelbergu budował elektronikę do odczytu światła. ZDAE (jeden z zakładów Instytutu Badań Jądrowych),  miał wolne moce przerobowe i był skłonny skonstruować podstawki do fotopowielaczy (2500 sztuk) oraz część układów elektronicznych. Prof. Dydak nie ufał nikomu, ale zgodził się dać nam szansę. Pierwsze nasze układy działały bezbłędnie i to podniosło poziom zaufania. Tylko, zdaniem Dydaka, zawalaliśmy terminy dostawy i mogliśmy spowodować opóźnienie eksperymentu. Bliższe badania wykazały, że winna była niemiecka firma transportowa: ciężarówka z częściami opuściła Heidelberg kilka tygodni temu, ale utknęła w Mannheim, 50 km od Heidelbergu! Ufff, następny kryzys zażegnany...

 

Początkowa nieufność szybko się przemieniła w uznanie dla jakości pracy naszych techników. CERN był odpowiedzialny za konstrukcję nowej części detektora i zdecydował się zaprosić ekipy warszawskich techników do pracy w Genewie przy instalacji nowobudowanego detektora w hali doświadczalnej. To kolejne nowe doświadczenie  skończyło się obustronnym sukcesem.

 

Czas konstrukcji nowego detektora pozwolił się zastanowić nad dalszymi kierunkami badań. W doświadczeniu "beam dump" mieliśmy niespodziewany wynik: pojawiły się neutrina elektronowe. Skąd? Mając nowy, lepszy detektor można to było zbadać dokładniej. Wiedząc lepiej, czego się spodziewać, można też było zoptymalizować przebieg doświadczenia. W trakcie optymalizacji okazało się, że trzeba nieco zmienić wiązkę, a w szczególności trzeba skonstruować wielkie bloki żelazne dla osłony przed promieniowaniem. Ośmieleni dotychczasowymi sukcesami zaproponowaliśmy, z wiarą w nasz przemysł ciężki, że potrzebne bloki mogą być odlane w Polsce. Po wizytach w kilku hutach zdecydowaliśmy się na ZAMECH. Doświadczenie miało się zacząć na wiosnę 1982 roku, bloki musiały być dostarczone do CERNu najpóźniej w styczniu-lutym 1982. Żaden problem! A tu grudzień 1981. Szok, wyrazy sympatii i solidarności z polskimi kolegami, rzecz jasna, ale z drugiej strony, skąd nagle wziąć stutonowe bloki żelazne? A bez nich – poważne perturbacje w programie laboratorium. Niby to nic w porównaniu z sytuacją w Polsce, ale przecież, gdyby kłopoty w którymkolwiek z krajów uczestniczących w doświadczeniach CERN-owskich odbijały się na CERNie, to niczego by się nigdy nie udało zrobić. W połowie stycznia 1982 – sensacja. Przyjechała ciężarówka, przywiozła bloki. Pierwsza ciężarówka z Polski, która przyjechała do Szwajcarii w stanie wojennym. Jakim cudem się to stało, to chyba tylko doc. Szeptycka może wytłumaczyć.

 

Budowa detektorów jest bardzo pouczająca, ale to tylko środek prowadzący do celu: zbierania i analizy danych. Jest to bardzo trudne na odległość, zwłaszcza w epoce utrudnionej komunikacji i braku środków na częste wizyty. Na szczęście polscy fizycy mieli reputację nie gorszą niż nasz personel techniczny: CERN, Heidelberg i Saclay zaofiarowały nam staże, dłuższe i krótsze pobyty. To z nich wykluły się przyszłe habilitacje Janka Krolikowskiego i Haliny Abramowicz, jak też szereg prac doktorskich i magisterskich. Niektórzy ich autorzy są dziś trzonem polskich grup neutrinowych, inni zostają profesorami na MIT lub w Sztokholmie.

 

Wracając do fizyki, to co z tym "beam dumpem"? Czy naprawdę były tam neutrina elektronowe? Skąd się brały ? Ano były .. I powinny być, bo przecież  wiązka protonów produkuje również cząstki powabne, które żyją bardzo krótko i rozpadają się między innymi na neutrina elektronowe. Nowe doświadczenie wykazało, ze tak istotnie się dzieje.

 

Fizycy doświadczalni budują w pocie czoła detektory, a teoretycy mówią: eee... "to" nieciekawe (albo nieważne) - trzeba zrobić "tamto". Nowe pomysły rodzą się z dnia na dzień, a budowa detektora trwa latami. Nie można nadążać za nowymi pomysłami, a z drugiej strony chciałoby się zbadać wszystkie najważniejsze aspekty. Taki dylemat nas też nie ominął. Budowa nowych modułów detektora trwała dwa lata. W tym czasie pojawiły się nowe teorie, przewidujące, że materia nie jest stabilna i protony powinny się rozpadać (bardzo powoli). Pytanie o stabilność materii jest ogromnie ważne, chyba ważniejsze, niż neutrina. A może by umieścić nasze nowe detektory w tunelu pod Mont Blanc i szukać rozpadu protonu? Wnikliwa analiza pokazała, że to nie byłby dostatecznie czuły eksperyment. Pozostaliśmy przy neutrinach.

 

Ale i tu nowy zwrot teoretyczny. Każdy podręcznik pouczał, że neutrina nie mają masy, tak jak fotony. Niektórzy teoretycy zaczęli to kwestionować: może masa jest bardzo mała, taka, że jej nie można zmierzyć?  Jeżeli neutrina mają masę, nawet mikroskopijną, to może to powodować transmutacje jednego rodzaju neutrin w inne. Jeżeli wyprodukować wiązkę neutrin mionowych, to mogą się one zamienić po drodze na jakieś inne. To wyglądało bardziej interesująco - zdecydowaliśmy, że możemy to sprawdzić. Trzeba było zbudować nową wiązkę neutrinową, ale to się dało szybko zrobić. Rozdzieliliśmy nasze nowobudowane detektory na dwie części: dziesięć modułów umieściliśmy w miejscu głównego eksperymentu,  a dwa wylądowały w hali dużo bliżej źródła neutrin. Jeżeli neutrina "oscylują", to te dwa detektory powinny zarejestrować rożne liczby neutrin mionowych. Już po roku mieliśmy odpowiedź: nic takiego się nie dzieje, a przynajmniej nie w rejonie parametrów sugerowanych przez teorie.[ii]  

 

Pozytywnym skutkiem doświadczenia oscylacyjnego było to, że nowy detektor został uruchomiony i wykalibrowany. Pora na drugi etap doświadczenia. Nowa intensywna wiązka neutrin i antyneutrin pozwoliła na bardziej szczegółowe badanie struktury protonu. Przyłożył się do tego również "krakus" – Witek Krasny będący na stażu w CERN-ie. Co jeszcze pozostało do zrobienia w fizyce neutrin? Chyba tylko jeszcze dokładniejszy pomiar kąta Weinberga, gdyż stanowił on ważny test modeli unifikacyjnych. Wymagało to starannego przygotowania nowej lepszej wiązki neutrin, bardzo starannej analizy możliwych błędów systematycznych. W końcu dostaliśmy wynik: 0.23 z bardzo dużą dokładnością. Najprostsze modele GUT[iii] zostały wykluczone.

 

Na wiosnę 1985 roku urządziliśmy wielkie party: koniec doświadczenia CDHSW. Wydawało się, że wszystko co można było zrobić w fizyce neutrin zostało zrobione. Jak wiele innych oczekiwań dotyczących neutrin, tak i to okazało się zupełnie błędne.

 

 

Eksperyment ICARUS (A.Z.)

 

Po ogłoszeniu obserwacji oscylacji neutrin atmosferycznych w eksperymencie SuperKamiokande w światowej fizyce cząstek zawrzało. W szczególności w 1998 roku rozpoczęła się poważna dyskusja na temat przyszłości CERN-owskiej fizyki neutrin. Wartości parametrów oscylacji, wyznaczone przez fizyków z SuperKamiokande pokazywały, że ich niezależny pomiar przy użyciu neutrin akceleratorowych wymaga eksperymentów z tzw. długą bazą czyli dużą odległością między źródłem neutrin i detektorem. Ponieważ wcześniej zatwierdzone tego typu eksperymenty, a mianowicie japoński K2K i amerykański MINOS, miały mierzyć osłabienie pierwotnej wiązki neutrin mionowych, w CERN-ie zdecydowano nastawić się na poszukiwanie oddziaływań neutrin taonowych, które na skutek oscylacji pojawią się w wiązce docierającej do detektora. Dodatkowymi argumentami za takim programem fizycznym było uniknięcie budowy bardzo kosztownego szybu i podziemnej komory dla tzw. bliskiego detektora, który byłby nieodzowny w przypadku pomiarów osłabienia pierwotnej wiązki, jak też doświadczenie wyniesione z eksperymentów NOMAD i CHORUS. 

 

Detektory miały stanąć w największym na świecie podziemnym laboratorium Gran Sasso (LNGS) we Włoszech, w odległości 730 km od CERN-u.  Projektowana wiązka neutrin nazwana została CNGS (skrót od CERN Neutrinos to Gran Sasso). Laboratorium w Gran Sasso dysponuje trzema dużymi tunelami eksperymentalnymi o rozmiarach (100x20x20) m3 oraz szeregiem mniejszych komór i korytarzy, wszystkie pod warstwą skał o grubości około 1400 metrów. Redukuje to strumień promieniowania kosmicznego około miliona razy w stosunku do strumienia obserwowanego na poziomie morza. Dodatkową zaletą Gran Sasso jest niskie tło pochodzące od naturalnej promieniotwórczości skał związanej z obecnością uranu i toru. Laboratorium może być więc miejscem wykonywania pomiarów stawiających szczególnie wysokie wymagania dotyczące tła, np. dotyczących niskoenergetycznych neutrin.

 

Dyskusji o przyszłości neutrin w CERN-ie patronował komitet naukowy SPSC, rekomendujący eksperymenty związane z akceleratorami SPS i PS, którego byłam wówczas członkiem.  Ponieważ miałam poczucie, że sprawa jest ważna, uważałam za swój obowiązek poinformować polskich fizyków o szykującym się nowym programie badań. Było to czysto społeczne działanie, gdyż w tym czasie mocno tkwiłam w tematyce detektorów krzemowych , związana byłam z eksperymentem DELPHI, a swoją przyszłość naukową wiązałam z przyszłym liniowym zderzaczem e+e..  Przygotowałam więc referat i "ruszyłam w Polskę". Odzew był bardzo życzliwy, proszona byłam o dalsze informacje, z konieczności czytałam coraz więcej prac z fizyki neutrin, do tego dołożył się niespodziewany zwrot zawodowy i ani się spostrzegłam, jak z chłodnego obserwatora zmieniałam się w coraz bardziej zaangażowanego "neutrinowca". Szczególne zainteresowanie okazali fizycy warszawscy, gdzie żywa była tradycja CDHSW i gdzie działała Danuta Kiełczewska, od lat pracująca w eksperymencie SuperKamiokande. Pod kierunkiem Ewy Rondio szybko powstała prężna grupa. W Katowicach Jan Kisiel szukał nowej tematyki naukowej po habilitacji opartej na analizie danych z CERN-owskiego eksperymentu Cristal Ball.  Zaczęły się wzajemne kontakty, wzbogacone jeszcze przez konsultacje z teoretykami "od neutrin": Markiem Jeżabkiem z Krakowa, Markiem Zrałkiem z Katowic i Janem Sobczykiem z Wrocławia. 

 

Nawiązane kontakty spowodowały, że postanowiliśmy dołączyć do któregoś z eksperymentów proponowanych dla programu CNGS jako jedna polska grupa. Najpoważniejszymi kandydatami były eksperymenty OPERA i ICARUS/ICANOE[iv]. Ponieważ w styczniu 2000 roku krakowska konferencja z cyklu "Epiphany" poświęcona była neutrinom, stała się ona dobrą okazją do spotkania całej, tworzącej się polskiej grupy. Zaprosiliśmy przedstawicieli obu eksperymentów do wygłoszenia referatów, a następnie odbyliśmy z nimi dłuższe spotkanie. Bardzo pomocna była też obecność na konferencji Adama Pary, który zawsze służył nam fachową, życzliwą radą.  Następne miesiące poświęcone były dyskusjom, który eksperyment wybrać. Jako duża grupa stanowiliśmy atrakcyjny kąsek i zarówno przedstawiciele OPERY jak i ICARUSA starali się nas do siebie przekonać. Wybór nie był oczywisty. Ostatecznie zdecydowała atrakcyjność techniki detektorowej i związany z nią szeroki program badawczy eksperymentu ICARUS.  Częściowo obrazuje go nazwa eksperymentu, będąca skrótem od Imaging Cosmic Rays And Rare Underground Signals. W marcu 2000 sporą grupą pojechaliśmy do CERN-u na spotkanie z koordynatorem, profesorem Carlem Rubbią i innymi przedstawicielami eksperymentu, aby przedyskutować nasz udział. W czerwcu złożyliśmy oficjalną prośbę o włączenie polskiej grupy do współpracy ICARUS.

 

Na czym zatem polegała atrakcyjność detektora i programu fizycznego eksperymentu ICARUS? 

 

Detektor bazuje na nowatorskiej technice eksperymentalnej - dużych komorach projekcji czasowej (TPC) wypełnionych ciekłym argonem. Pozwala ona na konstrukcję detektorów o dużej masie, nieodzownej w badaniach neutrin. Dotychczas zbudowane zostały dwa wielkie kriostaty, z których każdy zawiera 300 ton ciekłego argonu i dwie komory TPC. Pojedynczy moduł nazywa się T300, a oba razem tworzą detektor T600 [1]. Kriostaty są prostopadłościanami o szerokości około 3.5 metra, wysokości około 4 metrów i  długości około 20 metrów. Pośrodku kriostatu, równolegle do długich ścian, umieszczona jest katoda, a przy każdej z tych ścian znajdują się po trzy płaszczyzny drutów anodowych. Różnica potencjałów między katodą i płaszczyznami anodowymi wynosi 75 kV, co odpowiada natężeniu pola elektrycznego 500 V/cm.  Zarówno odległość między sąsiednimi drutami anodowymi w płaszczyźnie, jak i odległość między sąsiednimi płaszczyznami wynosi 3 mm. Płaszczyzna najbliższa katodzie zawiera druty poziome, a następne dwie płaszczyzny mają druty pod kątem -600 i +600 względem drutów poziomych. Każda komora TPC zawiera ponad 13 tysięcy drutów

 

Cząstki naładowane, przechodząc przez ciekły argon, jonizują i wzbudzają jego atomy. Wzbudzenia oraz częściowa rekombinacja elektronów jonizacji prowadzą do scyntylacji. Światło scyntylacyjne dociera do fotopowielaczy na ścianach kriostatu już po około 10 ns od chwili przejścia cząstki, a więc praktycznie natychmiast. Wobec tego stanowi znakomity sygnał dla systemu wyzwalającego. Pozostałe elektrony jonizacji pod wpływem pola elektrycznego dryfują do drutów anodowych i indukują sygnał na najbliższych drutach dwu pierwszych płaszczyzn. Trzecia płaszczyzna zbiera docierające do niej elektrony. Pomiar sygnału na wszystkich drutach  komory odbywa się co 400 ns.  Przy nominalnym natężeniu pola elektrycznego potrzeba około 1 ms na dryf elektronów jonizacji powstałych tuż przy katodzie. 

 

Detektor ICARUS pozwala na przestrzenną rekonstrukcję zdarzeń zachodzących w ciekłym Ar w oparciu o dwie współrzędne drutowe oraz odpowiadającą im wspólną współrzędną czasową. Ze względu na wspaniałą granulację (pojedyncza cela ma wymiary 3x3x0.6 mm3) ICARUS łączy zalety detektora elektronicznego z przestrzenną zdolnością rozdzielczą, porównywalną z tą z dawnych komór pęcherzykowych. Często wręcz określa się go mianem elektronicznej komory pęcherzykowej. Komory ICARUS-a są też doskonałym kalorymetrem, tak elektromagnetycznym jak i hadronowym.

 

Pierwszy moduł T300 przeszedł gruntowne testy wiosną i latem 2001 roku. Były to testy w promieniowaniu kosmicznym, prowadzone w naziemnym laboratorium w Pawii. Dotyczyły technicznych aspektów detektora oraz pozwoliły na zebranie około 30000 przypadków oddziaływań promieni kosmicznych w ciekłym argonie. W testach uczestniczyło 15 członków polskiej grupy. Analiza zebranych danych doprowadziła już do publikacji sześciu prac. Z ciekawszych wyników zawierają one informację o pierwszej obserwacji światła Czerenkowa w ciekłym argonie, lepszym pomiarze współczynnika rekombinacji, pomiarze czystości argonu i pierwszym pomiarze z fizyki, polegającym na wyznaczeniu parametru Michela w oparciu o rozpady mionów w spoczynku.

 

Eksperyment ICARUS będzie przebiegał w trzech etapach. Pierwszy to instalacja i uruchomienie detektora T600 w laboratorium w Gran Sasso. Od ponad roku gotowy detektor czeka na przewiezienie z Pawii do Gran Sasso. W laboratorium w Gran Sasso aktualnie prowadzone są prace przygotowawcze i mamy nadzieję, że transport detektora nastąpi jesienią 2004 roku. Drugi etap to rozbudowa detektora o dalsze cztery moduły czyli dodanie 1200 ton ciekłego argonu.  Przyszłe moduły będą zmodyfikowane w stosunku do istniejących. Testy w Pawii pokazały, że da się bardzo dobrze oczyścić argon oraz, że detektor prawidłowo pracuje przy podwojonej różnicy potencjałów między katodą i płaszczyznami anodowymi (150 kV). Można zatem podwoić odległość między katodą i anodą, tym samym dwukrotnie zmniejszając liczbę kanałów kosztownej elektroniki odczytu. Trzeci etap obejmuje dodanie kolejnych czterech modułów argonowych oraz prostego spektrometru magnetycznego do pomiaru pędu energetycznych mionów.

 

Program fizyczny, jaki eksperyment ICARUS realizować będzie w Gran Sasso, charakteryzuje szeroki profil badań. Obejmuje on pomiary oddziaływań i oscylacji  neutrin słonecznych, pochodzących z wybuchu Supernowej, neutrin atmosferycznych i akceleratorowych oraz  poszukiwania rozpadu protonu.  We wszystkich przypadkach czułość pomiarów zależy od całkowitej masy detektora. Na korzyść detektora ICARUS działa ogromna redukcja tła, wynikająca z zastosowanej techniki detekcji. Dzięki temu w przypadku niektórych pomiarów detektor argonowy o masie 3 kiloton daje czułość porównywalną z 50 kilotonami wodnego detektora SuperKamiokande.

 

Badania neutrin z wiązki CNGS obejmować będą wspomniane już poszukiwania przypadków oddziaływań neutrin taonowych powstałych w wyniku oscylacji neutrin mionowych na drodze z CERNu do Gran Sasso. Sygnaturą tych oddziaływań będzie obecność leptonu t wśród cząstek wtórnych. Symulacje pokazują, że przy docelowej masie detektora i obecnych wartościach parametrów oscylacji należy oczekiwać znalezienia około dziesięciu takich przypadków po pięciu latach zbierania danych, ale za to są to przypadki praktycznie bez tła. Jeszcze ciekawsze i jeszcze trudniejsze jest znalezienie lepszego ograniczenia na wartość bardzo małego kąta mieszania odpowiedzialnego za oscylacje neutrin mionowych i elektronowych w obszarze, gdzie dominują oscylacje neutrin mionowych i taonowych. W porównaniu z eksperymentem SuperKamiokande badania oddziaływań neutrin atmosferycznych obejmować będą neutrina począwszy od progu kinematycznego oraz wszystkie stany końcowe. Cechą charakterystyczną ciekłego argonu jest to, że można rozróżnić oddziaływania niskoenergetycznych neutrin i antyneutrin dzięki różnicy w ich absorpcji. Ma to kapitalne znaczenie w badaniach neutrin z wybuchu Supernowej, będących przedmiotem coraz większego zainteresowania zarówno astrofizyków jak i fizyków cząstek. Niezwykle ważne będzie poszukiwanie rozpadu protonu na mezon K i antyneutrino, który jest kanałem rozpadu preferowanym przez modele supersymetryczne. W wodnych detektorach Czerenkowa pomiar tego rozpadu jest niewydajny i obarczony dużym błędem systematycznym, gdyż kaon "nie świeci".  Z kolei w ciekłym argonie wydajność jest blisko stuprocentowa, a tło praktycznie zerowe, więc pojedynczy przypadek takiego rozpadu wystarczy, aby odkryć rozpad protonu. W oparciu o doświadczenia z detektorem ICARUS prowadzone też są niezmiernie interesujące prace nad zastosowaniem tej techniki detekcji do poszukiwań Ciemnej Materii.

 

Obecny, ponad dwudziestoosobowy polski zespół w eksperymencie ICARUS, tworzą fizycy i inżynierowie z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Politechniki Krakowskiej, Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, Politechniki Warszawskiej i Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego. Na ukończeniu są pierwsze dwie prace doktorskie z tematyki grupy, trzy dalsze są zaawansowane, a jeszcze trzy inne właśnie startują. Wykonanych zostało pięć prac magisterskich. Blisko współpracujemy z grupami włoskimi z L’Aquilli, Gran Sasso, Mediolanu, Neapolu, Padwy i Pawii oraz z grupą z Zurychu.

 

Od chwili przystąpienia do eksperymentu nasz zespół uczestniczył w projektowaniu, instalacji i obsłudze zewnętrznego układu selekcji oddziaływań dla testów w Pawii, wykonał około 20% dyżurów podczas testów, prowadził wizualny przegląd zarejestrowanych danych, przyczynił się do rozwoju oprogramowania eksperymentu oraz do analizy danych z testów, uczestniczył w opracowaniu metod kompresji danych, prowadził symulacje mechaniczne konstrukcji kriostatów oraz prowadził prace w zakresie uściślenia  opisu teoretycznego oddziaływań neutrin przy energiach około 1 Gigaelektronowolta. Obecnie najpoważniejszym zadaniem, jakie stoi przed polską grupą, jest wykonanie w Polsce drutów anodowych dla czterech nowych modułów detektora ICARUS.

 

Literatura:

[1] Współpraca ICARUS: Design, construction and tests of the ICARUS T600 detector, Nucl. Inst. Meth. A524 (2004)



[i] Cząstki W i Z istnieją naprawdę. Pośredniczą one w oddziaływaniach słabych. Carlo Rubbia otrzymał Nagrodę Nobla za swoje doświadczenie.

[ii] Piętnaście lat później taki efekt został zaobserwowany. Teoretycy mieli rację, co do samego zjawiska, natomiast przewidywania parametrów były kompletnie złe. Drugi detektor należało by umieścić gdzieś w Anglii!

[iii] GUT (skrót od Grand Unification Theory) - modele unifikacji oddziaływań silnych i elektrosłabych, czasem też grawitacyjnych.

[iv] Współpraca ICANOE istniała stosunkowo krótko.  Fizycy z grupy NOE odeszli, kiedy włoski INFN odmówił im finansowania kalorymetru magnetycznego, którego moduły miały być umieszczone pomiędzy komorami TPC z ciekłym argonem.  Pozostała część grupy zdecydowała wrócić do nazwy ICARUS.