Neutrino a velryba

Tento příběh začal hledáním jedné z nejmenších částic ve vesmíru a skončil nalezením největšího žijícího tvora na Zemi. Ukazuje, že i tak odlišné vědecké obory, jako jsou částicová fyzika a podmořská biologie, mohou mít společné průsečíky.

Lov na neutrina
Neutrina jsou malé, nenabité částice (fermiony) s velmi nízkou, ale přeci jen nenulovou hmotností, které se pohybují téměř rychlostí světla. Předpokládá se, že neutrina tvoří velkou část „temné hmoty“ vesmíru a nesou informace o dějích v nitru našeho Slunce, výbuších supernov i historii vzdáleného kosmu. Jejich výzkum by tedy jistě přinesl mnoho užitečných údajů. Neutrina však velmi nerada interagují s jakoukoliv hmotou, včetně vědců a detektorů. Běžné neutrino proletí skrz člověka i zeměkouli, aniž by si všimlo, že mu vůbec něco stálo v cestě. Je tedy třeba stavět obrovské a nákladné detektory, které jsou schopny zaznamenat ty vzácné okamžiky, kdy se neutrino přeci jen s nějakou částečkou hmoty srazí. Vědce v INFN (Italian National Institute for Nucelar Physics) napadlo využít největší dostupný detektor – moře. Když se neutrino srazí s molekulou vody, vygeneruje světelný záblesk a v případě vysokoenergetického neutrina vzniknou i měřitelné zvukové vlny.

NEMO
Projekt Neutrino Mediterranean Observatory (NEMO) má zahrnovat tisíce optických detektorů umístěných v 2 km³ vody v hloubce 3500 metrů pod hladinou Středozemního moře nedaleko Capo Passero v jižní Sicílii. Kromě nich se zde bude nacházet i několik podvodních mikrofonů, hydrofonů, které jsou nezbytné pro určení správné polohy detektorů. Protože zvuk vyvolaný srážkou neutrina se pod vodou šíří velmi dobře, rozhodl se Giorgio Riccobene otestovat možnost použít k lovu na neutrina právě tyto hydrofony. Roku 2002 zahájil studii ONDE (Ocean Noise Detection Experiment, psáno též ONDE) a hydrofony umístil 2000 metrů pod hladinou východně od Catanie. Po návštěvě přednášky o akustické detekci neutrin si Riccobene uvědomil, že mu chybí jeden podstatný údaj – nevěděl, jak velký bude zvukový šum. Všichni vědci předpokládali, že v takovéto hloubce bude dostatečně nízký na to, aby detekci neutrin nepřekážel. K dispozici však neměli žádná konkrétní data. Riccobene proto přizval na pomoc podmořského biologa Giovanniho Pavana. Měření podmořských zvuků v takové hloubce se zatím ještě neuskutečnilo, protože nebylo k dispozici vhodné zařízení. Podle Pavana by ale hladina šumu měla intenzitu signálu vyslaného srážkou neutrina několikrát převyšovala. Bez důkladné analýzy podvodních zvuků tedy nebude možné neutrina detekovat.

Haló, tady vorvaň!
V březnu 2005 začal Pavan naslouchat prvním podmořským nahrávkám. Jak předpokládal, panoval i hluboko pod hladinou hluk způsobovaný pohyby vody a lodní dopravou, ze kterého tu a tam vytryskly jasnější nahrávky lodního šroubu nebo pulzů sonaru. Překvapilo ho ovšem často se opakující cvakání, zvuky, které vydává největší pozemský tvor vorvaň obrovský. Cvakání vzniká, když vorvaň protlačuje vzduch svým dýchacím ústrojím a patří k nejhlasitějším podvodním zvukům. Šíří se na kilometry daleko a velryby jej pravděpodobně používají k echolokaci nebo jako dorozumívací signál. Cvakání se na nahrávce opakovalo měsíc po měsíci a bylo mnohem častější, než Pavan předpokládal. Mělo se za to, že vorvaňů je ve středomoří velmi málo – údaje se však zakládaly na pozorování z hladiny nebo na zvukových nahrávkách z malé hloubky, zatímco projekt ONDE nahrával situaci ve velké hloubce, kam se vorvani potápí za potravou a tráví zde většinu svého času. Než měření skončilo, získali oba vědci přes 600 hodin kvalitních nahrávek a přestože nezachytili žádná neutrina, byli spokojeni. Riccobene měl nahraný šum, který bude moci od signálů z neutrin odstranit, a Pavan velryby.

Počítat, počítat, počítat
Mít nahrané vorvaní cvakání je jedna věc, ale zjistit, kolik velryb tam bylo, kam pluly a co dělaly, je věc druhá. Z analýzy cvaknutí lze určit, jak velký vorvaň ho vydal a jakého byl pohlaví. Pokud se na nahrávce nachází i ozvěna cvaknutí odražená od hladiny, je možné vypočítat, v jaké hloubce se vorvaň nacházel a jakým směrem se pohyboval. Pavan ovšem neměl dostatek prostředků na tvorbu drahého algoritmu, který by nahrávku analyzoval, a tak mu nezbylo než prozkoumat v podstatě ručně jedno velrybí cvaknutí za druhým. Úmorná práce nakonec přinesla své výsledky. Ukázalo se, že populace vorvaňů ve Středozemním moři je větší než se dosud předpokládalo, byly odhaleny skupinky velryb putujících mořem sem a tam a výsledky též naznačují, že středomořskou populaci čas od času navštěvují vorvani z oceánu.

Hon na velryby i neutrina pokračuje
Naslouchání velrybám bude pokračovat v projektu LIDO (Listening Into the Deep Ocean), který na mořské dno znovu umístí čtyři hydrofony a jejich nahrávky už bude analyzovat počítačový program. Současně s tím probíhají práce na neutrinové observatoři NEMO. Data nebudou sloužit jen částicovým fyzikům, ale budou zpřístupněna i podmořským biologům tak, abychom se tak dozvěděli více o dalekém kosmu i o obyvatelích mořských hlubin naší planety.

Zdroj: Nature, Vol 462, 3 December 2009, str. 560 – 561

O neutrinech a jejich detekci jsme psali v Třípólu:
http://www.www.3pol.cz/cz/rubriky/astronomie/64-sedi-bobik-v-pampe
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/610-neviditelne-a-temer-nepolapitelne-neutrino-2-dil
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/611-neviditelne-a-nepolapitelne

O lapání neutrin už jsme psali v těchto článcích:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/611-neviditelne-a-nepolapitelne
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/610-neviditelne-a-temer-nepolapitelne-neutrino-2-dil