TÝDEN VĚDY A TECHNIKY 2004
EVROPSKÁ SPOLUPRÁCE VE VĚDĚ A VÝZKUMU
ČEŠTÍ VĚDCI V CERN – ZKUŠENOSTI A APLIKACE
http://server3.streaming.cesnet.cz/av
CERN
CERN
CERN
2003 2004CERN
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Počítače v CERN RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Aplikace fyziky částic v lékařství Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR
Nobelovská neutrina Představitelé ministerstev ČR:
Ing. Petr Martínek, Ministerstvo zahraničních věcí ČR RNDr. Miloš Chvojka, CSc. , Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR
Mgr. Jaroslav Kolín, Ministerstvo financí ČR
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem
1997
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem
19991998
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem 1998
2003
2000
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem 1998
2003
2003
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem
2004 2004
2004
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem
Experiment ATLAS
Instrumentace modulů kalorimetru Tilecal
Testování kalorimetru ve svazku částic
‘96
Od výsledku ze svazku až k předpovědím pro ATLAS
Test fyzikálních zákonů v praxi ….
RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Počítače v CERN
1990
1990
RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Počítače v CERN
19992000
Zpracování dat pro Zpracování dat pro LHCLHC
JiJiří Chudobaří Chudoba
Fyzikální ústav AV ČRFyzikální ústav AV ČR
88.1.111.2004.2004 [email protected]@fzu.cz
Z mnoha případů během jedné srážky…
... chceme rozpoznat tento případ
Výběr: 1 z 1013
Jako hledání 1 člověka mezi 1000 násobkem populace Země.
Případy na LHC
88.1.111.2004.20042424
LHC data
• 40 miliónů srážek za sekundu• Po hrubém výběru se zaznamená 100 zajímavých srážek za sekundu• 1 srážka ~ 1 Megabyte zápis 0.1 Gigabyte/sec• 1010 zaznamenaných srážek za rok = 10 Petabyte/rok
CMS LHCb ATLAS ALICE
1 Megabyte (1MB)Digitální fotografie
1 Gigabyte (1GB) = 1000MBFilm na DVD
1 Terabyte (1TB)= 1000GBCelosvětová produkce knih
1 Petabyte (1PB)= 1000TBData za 1 rok z 1 LHC experimentu
1 Exabyte (1EB)= 1000 PBMnožství informací vyprodukovaných na světě za celý rok
88.1.111.2004.2004 [email protected]@fzu.cz
LHC data
Data z LHC experimentů za 1 rok by bylo možné uložit na
20 milionech CD!Concorde(15 Km)
Balón(30 Km)
CD s daty z LHCza 1 rok!(~ 20 Km)
Mt. Blanc(4.8 Km)
Kde budou data skladována a jak budou
zpracovávána?
88.1.111.2004.2004 [email protected]@fzu.cz
GRIDGRID
počítačová střediska propojena počítačová střediska propojena chytrým software (middleware)chytrým software (middleware)
systém sám dokáže určit optimální systém sám dokáže určit optimální místo pro zpracování úlohymísto pro zpracování úlohy
Projekty:Projekty:– LHC Computing GridLHC Computing Grid– European DataGridEuropean DataGrid– EGEEEGEE
88.1.111.2004.2004 [email protected]@fzu.cz
VybavenVybavení na FZÚí na FZÚ
1.11.1.11. 2004 2004 slavnostně slavnostně otevřena nová hala pro otevřena nová hala pro serveryservery
11880 kW 0 kW zálohované elektrické zálohované elektrické zdrojezdroje
klimatizaceklimatizace, UPS, Diesel, UPS, Diesel agregát agregát síťové spojenísíťové spojení
– 1 Gbps 1 Gbps spojení do výzkumné spojení do výzkumné sítěsítě CESNET CESNET
– přímépřímé optic optické spojení ké spojení 1 Gbps 1 Gbps přespřes CzechLight (CESNET- CzechLight (CESNET- Amsterdam- Geneva)Amsterdam- Geneva)
2 x 9 skříní (racks)2 x 9 skříní (racks) místnost pro obsluhumístnost pro obsluhu
88.1.111.2004.2004 [email protected]@fzu.cz
Regionální výpočetní Regionální výpočetní centrum pro fyziku centrum pro fyziku částic: farma částic: farma GOLIGOLIÁŠÁŠ
– 32x dual PIII 1.13 GHz32x dual PIII 1.13 GHz– 4949x dual x dual Intel Xeon 3.06Intel Xeon 3.06 GHzGHz– 2x dual 2x dual Intel Xeon 2.8Intel Xeon 2.8 GHzGHz
frontendfrontend– 3x dual AMD Opteron 1.6 GHz 3x dual AMD Opteron 1.6 GHz
1 file server (64 bits)1 file server (64 bits) 2 test2 testovací pracovní uzlyovací pracovní uzly
– DisDisková poleková pole 30 30 TBTB a 10TB a 10TB, ATA , ATA disdiskyky, , 1TB SCSI disky1TB SCSI disky
– 3x HP ProCurve Networking 3x HP ProCurve Networking Switch 2848Switch 2848
– Switch HP4108glSwitch HP4108gl
VybavenVybavení na FZÚí na FZÚ
RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
19981991
RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
2001
RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
2001
RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
20042003
Nadnárodní ,,firma“ na výrobu a testování detektorů
Z. DoležalUniverzita Karlova
MFF
22m
46m
ATLAS
ATLAS - vnitřní detektor
Funkce
ID - vnitřní detektor
• určení dráhy (track) - 6 přesných bodů
• určení hybnosti a náboje pomocí zakřivení v magnetickém poli 2 T
• určení polohy vrcholu (primárního, sekundárního)• identifikace některých částic
Kinematické požadavkyPokrytá oblast pseudorapidity ||<2.5 | |>15
Stripový detektor (SCT) 4 přesné body• 4000 modulů, 6,2 mil. kanálů• rozteč stripů ca 80 mikrometrů (strip 23 um)• rozlišení 16 x 580 mikrometrů• rozčlenění na válcovou (barrel) část a dopřednou (disk)
• 4 válce (stripy 80 mikronů x 12 cm)• 9 disků (vějíř, stripy ca 80 mikronů x 12 cm)
1,2 m
5,6 m
p
d= 300m
SiO 2
n-bulk
N+
Al
bia s r inggu ard r i ng
p+
Al
Al
+ + + + + + + + + + + + + + ++ ++ ++ + + ++ +
+++++++++++- - - - - - - - - - - - - - - - - - -
--
C in ter
bias resistors
p+p +
p+
p+
N+
G N D
+ v e b ia s v o lt a ge
Cback
- +- +- +
- +- +- +- +
- +- +
- +- +- +- +
- +- +
- -
Polovodičový stripový detektor
• křemík, 280 mm, VD < 100 V, max. 500 V
• 768 hliníkových stripů
• IL < 6 mA@150 V
• 99% účinnost
• typický signál 25000 elektronů
napájecí kabely
chlazení
optická vlákna
detekční modul
Komponenty SCT
Modul
Stavba modulustrip direction
strip direction
Skládání modulů
Testy modulů
Testy modulů, Praha
ČVUT
UK
MnichovFreiburg
Amsterdam
Ženeva
Účastníci
ČVUT
UK
MnichovFreiburg
Amsterdam
Ženeva
Detektory
ČVUT
UK
MnichovFreiburg
Amsterdam
Ženeva
Hybridy
ČVUT
UK
MnichovFreiburg
Amsterdam
Ženeva
Moduly
ČVUT
UK
MnichovFreiburg
Amsterdam
Ženeva
Disky
Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Aplikace fyziky částic v lékařství
Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Aplikace fyziky částic v lékařství
2003 2004
Aplikace fyziky částic v medicíněAplikace fyziky částic v medicíně- Mohou částice léčit?- Mohou částice léčit?
Mgr. Pavel Kundrát, PhD.Mgr. Pavel Kundrát, PhD.
Fyzikální ústav AV ČRFyzikální ústav AV ČR
Fyzika jádra a částic v medicíně (1)Fyzika jádra a částic v medicíně (1) výzkum a možné aplikace: již přes 100 letvýzkum a možné aplikace: již přes 100 let
1895 W.C.Röntgen – RTG záření1895 W.C.Röntgen – RTG záření fyzikální vlastnosti, možné využití v medicíněfyzikální vlastnosti, možné využití v medicíně aplikace: diagnostika – 6 týdnů, terapie – 12 měsíců po objevuaplikace: diagnostika – 6 týdnů, terapie – 12 měsíců po objevu
1896 H.Becquerel – přirozená radioaktivita1896 H.Becquerel – přirozená radioaktivita 1898 M.Curie – radium1898 M.Curie – radium
léčba nádorových onemocněníléčba nádorových onemocnění 1923 G.de Hevesy – radioaktivní značení1923 G.de Hevesy – radioaktivní značení
přesná detekce přesná detekce → → vysoká citlivost, neovlivní fyziologické podmínkyvysoká citlivost, neovlivní fyziologické podmínky 131131I + štítná žláza: kurativní (1938 Hertz, Roberts, Evans)I + štítná žláza: kurativní (1938 Hertz, Roberts, Evans) další izotopy: paliativní léčba; diagnostikadalší izotopy: paliativní léčba; diagnostika
1931 E.O.Lawrence – cyklotron1931 E.O.Lawrence – cyklotron izotopy s krátkou dobou života (1939 J.Lawrence – terapie)izotopy s krátkou dobou života (1939 J.Lawrence – terapie)
1946 R.Wilson – hadronová radioterapie1946 R.Wilson – hadronová radioterapie 1954 J.Lawrence – protonové svazky1954 J.Lawrence – protonové svazky 1974 C.A.Tobias, J.Lawrence – ionty1974 C.A.Tobias, J.Lawrence – ionty 1997 PSI, GSI – aktivní skenování1997 PSI, GSI – aktivní skenování
1951 Wrenn, Brownell, Sweet – pozitronová emisní tomografie (PET)1951 Wrenn, Brownell, Sweet – pozitronová emisní tomografie (PET) 70. léta G.Hounsfield, A.Cormack – počítačová tomografie (CT)70. léta G.Hounsfield, A.Cormack – počítačová tomografie (CT) 1972 Damadian – jaderná magnetická rezonance1972 Damadian – jaderná magnetická rezonance
detektory detektory (filmy, ionizační komory, Geiger-Müllerovy čítače, scintilátory)(filmy, ionizační komory, Geiger-Müllerovy čítače, scintilátory) prostorové rozlišení, nižší zátěž pacientaprostorové rozlišení, nižší zátěž pacienta
výpočetní metodyvýpočetní metody
Fyzika jádra a částic v medicíně (2)Fyzika jádra a částic v medicíně (2)
diagnostické metody: 3D zobrazovací technikydiagnostické metody: 3D zobrazovací techniky počítačová tomografie (CT) – RTG – elektronová hustotapočítačová tomografie (CT) – RTG – elektronová hustota magnetická rezonance (MR, NMR, MRI)magnetická rezonance (MR, NMR, MRI)
polarizace jádra ve vnějším mag. polipolarizace jádra ve vnějším mag. poli měkké tkáně (+ informace o typu tkáně)měkké tkáně (+ informace o typu tkáně)
pozitronová emisní tomografie (PET)pozitronová emisní tomografie (PET) nosič + izotop (nosič + izotop (1818F-deoxyglukosa (FDG), F-deoxyglukosa (FDG), 1111C-methionin)C-methionin) ββ+ + rozpad, koincidence 2rozpad, koincidence 2γγ (511 keV) (511 keV) kinetika farmak, výzkum mozku – nádory, Alzheimerova chorobakinetika farmak, výzkum mozku – nádory, Alzheimerova choroba
terapie nádorových onemocněníterapie nádorových onemocnění biologická účinnost ionizujícího záření: 300 Gy letální … ohřátí o 0.001biologická účinnost ionizujícího záření: 300 Gy letální … ohřátí o 0.001°°CC fotonová radioterapiefotonová radioterapie
fyzikální omezení (exponenciální pokles dávky s hloubkou průniku)fyzikální omezení (exponenciální pokles dávky s hloubkou průniku) brachyterapiebrachyterapie radioaktivní izotop vázaný na selektivně vychytávané látky (štítná žláza + jód) – radioaktivní izotop vázaný na selektivně vychytávané látky (štítná žláza + jód) –
kurativní, paliativníkurativní, paliativní neutronová záchytová terapie (BNCT)neutronová záchytová terapie (BNCT) neutronová terapie (externí svazek)neutronová terapie (externí svazek) svazky pionů svazky pionů ππ--
hadronová radioterapie (protony, ionty)hadronová radioterapie (protony, ionty)
Radioterapie nádorových onemocněníRadioterapie nádorových onemocnění
lokální léčebná metodalokální léčebná metoda přizpůsobit oblast předávané dávky podle tvaru ložiskapřizpůsobit oblast předávané dávky podle tvaru ložiska konvenční radioterapie: fotony, elektrony (konvenční radioterapie: fotony, elektrony (6060Co, linac)Co, linac)
exponenciálně klesající hloubkové dávkyexponenciálně klesající hloubkové dávky ozařování z více políozařování z více polí frakcionacefrakcionace radioterapie s modulovanou intenzitou (IMRT)radioterapie s modulovanou intenzitou (IMRT)
nehomogenní intenzitní profilnehomogenní intenzitní profil pokrytí cílové oblasti vysokou dávkoupokrytí cílové oblasti vysokou dávkou
Hadronová Hadronová radioterapieradioterapie
protony, iontyprotony, ionty(60-250 MeV, 100-400 MeV/u)(60-250 MeV, 100-400 MeV/u) Braggův píkBraggův pík
→ → vysoká konformacevysoká konformace vyšší biologická účinnost vyšší biologická účinnost
(RBE(RBEionion=D=Dxx/D/Dionion)) nepříznivý kyslíkový efekt nepříznivý kyslíkový efekt
potlačen (potlačen (OER=DOER=Dhypoxichypoxic/D/Doxicoxic)) frakcionacefrakcionace online monitoring PETonline monitoring PET
nádory v blízkosti kritických nádory v blízkosti kritických zdravých strukturzdravých struktur
radioresistentní nádoryradioresistentní nádory úspěšnost léčby: zlepšení o úspěšnost léčby: zlepšení o
5-10%5-10% ČR: cca 1000-2000 pacientů ČR: cca 1000-2000 pacientů
ročněročně
Modulace svazku:Modulace svazku:Pasivní rozptylPasivní rozptyl
Modulace svazku:Modulace svazku:Aktivní skenováníAktivní skenování
Hadronová radioterapie vs. IMRTHadronová radioterapie vs. IMRT
fotony - IMRT
protony – IMPT (aktivní skenování, 4 pole)
E.Pedroni, Europhysics News 31, 2000
cílová oblast: nosohltan + lymfatické uzliny (žlutě)
kritické orgány: mozkový kmen, příušní žlázy (červeně)
Hadronová terapie Hadronová terapie ve světěve světě
cca 40 000 pacientů cca 40 000 pacientů (protony + ionty)(protony + ionty)
cca 25 center, dalších 20 cca 25 center, dalších 20 plánováno (USA, Evropa, plánováno (USA, Evropa, Japonsko)Japonsko)
fyzikální centra fyzikální centra → → medicínská střediskamedicínská střediska
Loma Linda (USA) – 1991, Loma Linda (USA) – 1991, HIMAC Chiba (Japonsko) – HIMAC Chiba (Japonsko) – 19941994
Particle Therapy Co-Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG)Operative Group (PTCOG)
projekt ENLIGHTprojekt ENLIGHT
ENLIGHTENLIGHT EEuropean uropean NNetwork for etwork for LIGLIGht Ion ht Ion HHadron adron TTherapyherapy (grant EC, 2002-2005) (grant EC, 2002-2005) využití iontových svazků v radioterapii – fyzikálně technické aspekty, využití iontových svazků v radioterapii – fyzikálně technické aspekty,
indikace, výběr pacientů, ekonomické otázkyindikace, výběr pacientů, ekonomické otázky European Society for Therapeutic Radiology and Oncology European Society for Therapeutic Radiology and Oncology (ESTRO)(ESTRO) European Organization for Nuclear Research (CERN)European Organization for Nuclear Research (CERN) European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt (GSI)Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt (GSI) German Cancer Research Center (DKFZ Heidelberg), German Heavy Ion German Cancer Research Center (DKFZ Heidelberg), German Heavy Ion
Project (GHIP)Project (GHIP) Fondazione per Adroterapia Oncologica (TERA)Fondazione per Adroterapia Oncologica (TERA) Karolinska InstitutetKarolinska Institutet ETOILE Project, Université Claude Bernard Lyon 1 ETOILE Project, Université Claude Bernard Lyon 1 Med-Austron, WienMed-Austron, Wien FZR - Project Forschungszentrum RossendorfFZR - Project Forschungszentrum Rossendorf Linköping UniversityLinköping University Hospital Virgen de la MacarenaHospital Virgen de la Macarena Univerzita Karlova v Praze, Fyzikální ústav, Ústav jaderné fyziky AV ČRUniverzita Karlova v Praze, Fyzikální ústav, Ústav jaderné fyziky AV ČR
http://www.estro.be/estro/Index.html
Technické požadavky HTTechnické požadavky HT
dosah ve tkánidosah ve tkáni nádory očínádory očí 2-3,5 cm2-3,5 cm oblast hlavy a krkuoblast hlavy a krku 2-10 cm2-10 cm uvnitř tělauvnitř těla 2-25 cm2-25 cm
potřebná maximální energiepotřebná maximální energie protonyprotony 220-250 MeV220-250 MeV iontyionty až 400 MeV/uaž 400 MeV/u
posun Braggova maxima (1-3 mm) posun Braggova maxima (1-3 mm) →→ kroky změny energie (0,5-1 MeV)kroky změny energie (0,5-1 MeV)
velikost ozařovacího polevelikost ozařovacího pole dávková rychlost dávková rychlost → tok částic→ tok částic urychlovačeurychlovače
cyklotron (IBA, Accel)cyklotron (IBA, Accel) synchrotron (PIMMS, PRAMES, Optivus, Hitachi, Siemens)synchrotron (PIMMS, PRAMES, Optivus, Hitachi, Siemens)
gantrygantry aktivní skenováníaktivní skenování
CyklotronCyklotron
kompaktní (průměr 6m)kompaktní (průměr 6m) pouze protonypouze protony IBAIBA
NPTC Boston, 2001NPTC Boston, 2001 230 MeV230 MeV
fixní energie, nutnost brzdit fixní energie, nutnost brzdit částicečástice
zhoršené parametry zhoršené parametry svazkusvazku
pasivní modulacepasivní modulace
SynchrotronSynchrotron
větší prostorová větší prostorová náročnost náročnost (PIMMS:průměr 23m)(PIMMS:průměr 23m)
variabilní energievariabilní energie lepší kvalita svazkulepší kvalita svazku aktivní skenováníaktivní skenování protony (PRAMES, protony (PRAMES,
Optivus) i ionty Optivus) i ionty (PIMMS, HICAT)(PIMMS, HICAT)
PIMMS (CERN):PIMMS (CERN): protony 60-250 MeVprotony 60-250 MeV uhlík 120-400 MeV/uuhlík 120-400 MeV/u
evropské projektyevropské projekty
HICAT HeidelbergHICAT Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy CentreHeavy Ion Cancer Therapy Centre pp 48-220 MeV48-220 MeV
HeHe 72-330 MeV/u72-330 MeV/uCC 88-430 MeV/u88-430 MeV/uOO 102-430 MeV/u102-430 MeV/u
linac: 5m, 7 MeV/ulinac: 5m, 7 MeV/u synchrotron, průměr 20msynchrotron, průměr 20m gantry 20m x 13m průměr (120t), gantry 20m x 13m průměr (120t),
aktivní skenováníaktivní skenování financování zajištěno - 75 mil. €financování zajištěno - 75 mil. € preklinický provoz 2006, klinický od preklinický provoz 2006, klinický od
20072007
Další evropská centraDalší evropská centra TERA, ItálieTERA, Itálie
finální design, 50% prostředků zajištěnofinální design, 50% prostředků zajištěno ETOILE LyonETOILE Lyon MedAustron, RakouskoMedAustron, Rakousko Karolinska, StockholmKarolinska, Stockholm technologie GSI technologie GSI → → SiemensSiemens
Aktivity v rámci ČRAktivity v rámci ČR interdisciplinární pracovní skupina „Využití ionizujících interdisciplinární pracovní skupina „Využití ionizujících
částic v lékařství a biologii“částic v lékařství a biologii“ 1.LF UK, FZÚ, ÚJF AVČR, ÚJV1.LF UK, FZÚ, ÚJF AVČR, ÚJV
neutronová záchytová terapie (BNCT)neutronová záchytová terapie (BNCT) klinické testy - ÚJV Řež , ÚJF AV ČR, Nemocnice Na Homolce, klinické testy - ÚJV Řež , ÚJF AV ČR, Nemocnice Na Homolce,
Onkologická klinika 1.LF UK a VFNOnkologická klinika 1.LF UK a VFN hadronová radioterapiehadronová radioterapie
PRAMES (1996-2000)PRAMES (1996-2000) Onkologie 2000 – PIMMS (gantry)Onkologie 2000 – PIMMS (gantry) studie „Onkologické centrum s hadronovou radioterapií“, FZÚ studie „Onkologické centrum s hadronovou radioterapií“, FZÚ
AVČR, květen 2002 AVČR, květen 2002 http://weber.fzu.cz/projekty/medicine/studie.pdf
od r.2002 ENLIGHTod r.2002 ENLIGHT modelování mechanismu biologického účinku ionizujících částicmodelování mechanismu biologického účinku ionizujících částic
detailní pravděpodobnostní modeldetailní pravděpodobnostní model přesné zachycení podílu přežívajících buněkpřesné zachycení podílu přežívajících buněk identifikace rozdílů mezi protony a těžšími ionty v inaktivačním identifikace rozdílů mezi protony a těžšími ionty v inaktivačním
účinku jednotlivých částicúčinku jednotlivých částic
Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR
Nobelovská neutrina
Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR
Nobelovská neutrina
Kulatý stůl na AV ČR v rámci Týdne vědy a techniky 2004
Nobelovská neutrinaOtokar Dragoun, Ústav jaderné fyziky AV ČR
Jak dochází k novým objevům?
1) Nečekaně při experimentálním výzkumu jiných jevů(objev Rentgenova záření, objev atomového jádra)
2) Experimentálním potvrzením teoreticképředpovědi
(objev pozitronu, objev slabých neutrálních proudů v CERN, objev neutrina)
N e u t r i n o
navrhl do teorie W. Pauli v roce 1930 jako „zoufalýpokus“ zachránit zákon zachování energiev jaderném rozpadu
E. Fermi vypracoval teorii rozpadu s neutrinem,souhlasila s experimentem, ale neutrino byloneměřitelné
Po čtvrt století F. Reines a C. Cowan prokázaliexistenci neutrin z atomového reaktoru(Nobelova cena F. Reinesovi 1995)
Co již víme o neutrinech?
společně s fotony jsou nejpočetnějšímičásticemi ve Vesmíru, ale pro člověkanepředstavují žádné nebezpečí
jsou elektricky neutrální
vyskytují se ve třech druzích: e , ,
a vzájemně se přeměňují (oscilují)
podle současné teorie patří spolu se 6 kvarkya 3 nabitými leptony mezi 12 základníchčástic
mají energii v rozmezí 10-4 až 1020 eV
s hmotou interagují zcela nepatrně a proto jejejich registrace krajně obtížná
Co o neutrinech ještě nevíme?
jakou mají hmotnost (kolik „váží“)? liší se od antineutrin?
Odpověď čekáme od experimentu
Neutrina z přírodních zdrojů:
termojadernou reakcí ve SlunciNa Zemi dopadá 60 miliard e na cm2 zasekundu.Jejich první radiochemický 615 tunový detektorv hlubokém dole Homestake v USA registrovalprůměrně 1,5 neutrina za den
(Nobelova cena R. Davisovi,Jr. v roce 2002)
Nedávno byla vyřešena 30tiletá záhada nedostatku slunečních neutrin: model Slunce je správný, neutrina se samovolně přeměňují z jednoho typu na druhý. Potvrzeno i atmosférickými a reaktorovými neutriny. (budoucí Nobelova cena?)
srážkami částic kosmického záření s atmosférouZemě
při výbuchu supernovynapř. ze SN 1987a ve vzdálenosti 170 000světelných let. Z původních 1058 neutrinemitovaných během několika sekund se středníenergií 15 MeV jich 1016 prolétlo čerenkovskýmdetektorem Kamiokande v Japonsku. Pro 12z nich se podařilo určit energii a dobu příletu.
První detekce neutrin mimo naši galaxii (Nobelova cena M. Koshibovi v roce 2002)
pozůstatek po Velkém třesku: reliktní neutrinas nepatrnou energií asi 0,5 meV100 150 dvojic ( + anti ) v každém cm3
Vesmíru
rozpadem přirozených radionuklidůnapř. řady 238U, 232Th a 40K (poločasy 109-1010
let): zdroj tepla uvnitř Země?Prvních 9 geoneutrin pozoroval 2004 podzemnídetektor KamLAND v Japonsku
V lidském těle je 140 g draslíku, z toho je 0,0117% přirozeně radioaktivního 40K. každý z nás vysílá do Vesmíru ~4000 neutrinza sekundu. Poletí tam možná statisíce let.S lidskou činností to nijak nesouvisí.
Neutrina vytvořená člověkem: rozpadem radionuklidů vyrobených zejména
v reaktorech v jaderných reakcích s energií až stovek GeV (CERN a další)
Jak zkoumají neutrina v CERN?
Tři příklady experimentů s urychlovačovýmineutriny:
1. Objev slabých neutrálních proudů
Před třiceti lety byla vybudována nová teoriemikrosvěta – Standardní model elektroslabýchinterakcí.
Vysvětlovala řadu experimentálních faktů,předpovídala nový druh vzájemného působení částictzv. slabými neutrálními proudy (bez výměny náboje)
Jejich existenci prokázal CERN v roce 1973 sesvazkem v bublinové komoře Gargamelle
2. Neutrina z ženevského CERN do podzemnílaboratoře v italském Gran Sasso
Cíl: výzkum samovolných přeměn -
Protony z urychlovače SPS s energií 400 GeVvytvoří při nárazu na grafitový terč piony a kaony.Ty se budou rozpadat ve vakuovém potrubí oprůměru 2,5 m dlouhém 1 km.
Vznikne svazek letící zemí 730 km do detektoruv Gran Sasso.Experiment začne na jaře 2006.
3. Intenzivní čistý svazek e nebo anti
Uvažovaný projekt:
Radioaktivní ionty 6He nebo 18Ne budou obíhats vysokou energií v akumulačním prstenci.
Neutrina vzniklá v přímé 2,5 km dlouhé částiprstence poletí 130 zemí do podzemního detektoruve francouzském Fréjus.
Jak se snažíme určit hmotnost neutrin ?
Teoretická předpověď zatím chybí
Změřená hmotnost elektronu me= 510 998,9180,44 eV
Nejpřesnější metodou modelově nezávislého určeníhmotnosti neutrina je měření tvaru spektra záření βVyžaduje však „fantastickou, řekl bychakrobatickou přesnost“ (B. Pontecorvo, 1980)
Hmotnost elektronového neutrina, přesněji m,
m,e 2 000 eV 1949 m,e 55 eV 1956 m,e 30 eV 1980 m,e 17 000 eV 1985 m,e
2 0 ?? 1990 m,e
2,3 eV 2004
m,e ? 0,2 eV 2013
Areál výzkumnýchústavů v Řeži u Prahy
Ústav jaderné fyzikyAkademie věd ČR
Jak zkoumají neutrina fyzikové AV ČR?
Ústav jaderné fyziky v Řeži u Prahy mádlouholetou tradici v precizní elektronovéspektroskopii radionuklidů
Dosáhli jsme nejlepší spektrální rozlišení v tétooblasti, 1 eV, ale s malou světelností(rozlišení kontra světelnost – detaily se spektrunebo slabé efekty: problém všech spektroskopií)
Naším spektrometrem jsme určili vlastnostielektronového děla pro spektrometr novéhotypu na hledání m,e ve spektru plynného tritia(ÚJV v Troicku v Moskvy, m,e
2,8 eV)
Elektronový spektrometrÚstavu jaderné fyzikyAV ČR v Reži
Část spektra elektronů radioaktivníhozdroje 99mTc změřeného s rekordnímenergetickým rozlišením
Pátrali jsme se záporným výsledkem poneutrinu s hmotností 17 keV ve spektrech 241Pu (v Řeži společně s SÚJV Dubna)
a 35S (společně s Tech. univerzitou v Mnichově)
Velká experimentální výzva. Physics Todayv květnu 1991: “Čtyři z pěti nových experimentůdokazují existenci 17 keV neutrina“
Jeden z nás se zúčastnil neutrinovéhoexperimentu na univerzitě v Mainzu sesoučasným nejlepším výsledkem m,e
2,3 eV
V roce 2001 jsme se stali společně s německými,americkými a ruskými fyziky spoluzakladateli
projektu KATRIN(Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment)
Cíl: Do roku 2008 vybudovat nový spektrometr
- vakuová komora (průměr 10 m, délka 24 m,vakuum 10-9 Pa)
- bezokénkový zdroj plynného tritia- rozlišení 1 eV u energie 18,6 keV- světelnost 18 % 4
Do roku 2013 dosáhnout citlivost m,e = 0.2 eV(deseti násobné zlepšení vůči současnému stavu)
Náš úkol: kalibrace energetické stupnice lepšínež 1 eV a monitorování stability s relativnípřesností 1-2 miliontiny (vývoj fyzikálníchstandardů)
Závěr
Experimentální neutrinová fyzika je modernívědecká disciplina, prudce se rozvíjí.
Vzhledem k pronikavosti neutrin otvíráprincipiálně nové možnosti výzkumu
Poskytuje důležité informace pro fyziku částic,astrofyziku a kosmologii
Blíží se první aplikace
Na výzkumu neutrin se podílejí i čeští odborníci (ÚJF AV ČR, ÚTEF ČVUT, MFF UK)
„Národ, který nerozvíjí vědu, se měnív kolonii“ Frédéric Joliot-Curie
Spolu s manželkou Irenou objevili umělou radioaktivitu a dostali za to Nobelovu cenu
„Národ, který nerozvíjí vědu, se měnív kolonii“ Frédéric Joliot-Curie
Spolu s manželkou Irenou objevili umělou radioaktivitu a dostali za to Nobelovu cenu
RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Jak se člověk stává fyzikem RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Počítače v CERN RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK
Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů
Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR
Aplikace fyziky částic v lékařství Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR
Nobelovská neutrina Představitelé ministerstev ČR:
Ing. Petr Martínek, Ministerstvo zahraničních věcí ČR RNDr. Miloš Chvojka, CSc. , Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR
Mgr. Jaroslav Kolín, Ministerstvo financí ČR