Jak złapać neutrina.

Ukryty 1000 metrów pod górą Ikeno w Japonii detektor to miejsce, które wygląda jak marzenie Godzilli. Super-Kamiokande (lub "Super-K", jak to czasem się nazywa) to detektor neutrin. Neutrina są cząstkami subatomowymi, które przemieszczają się w przestrzeni i przechodzą przez ciało stałe, praktycznie bez oddziaływania. Badanie tych cząstek pomaga naukowcom wykryć umierające gwiazdy i dowiedzieć się więcej o wszechświecie.



Neutrina są bardzo trudne do wykrycia, tak bardzo, że Neil deGrasse nazwał je "najbardziej nieuchwytną zdobyczą w Kosmosie". Komora detektora musi być głęboko zakopana w ziemi, aby zapobiec dostaniu się innych cząstek, w szczególności mionów. "Materia nie stanowi przeszkody dla neutrino", mówi. "Neutrino może przejść przez sto lat świetlnych stali, nawet nie zwalniając".

Ale po co je w ogóle złapać?  "Jeśli chcemy badać supernową, gwiazdę, która zapada się w siebie i zamienia się w czarną dziurę", powiedział dr Yoshi Uchida z Imperial College London. " to tylko coś w rodzaju Super-K jest jednym z niewielu instrumentów, które mogą zarejestrować neutrina powstałe w wyniku tego procesu."

Zanim gwiazda zacznie się zapadać, emituje gęsty strumień neutrin, więc Super-K działa jak rodzaj systemu wczesnego ostrzegania, mówiąc nam, kiedy należy zwrócić uwagę na te olśniewające kosmiczne wydarzenie.

"Obliczenia mówią, że średnio co 30 lat eksploduje supernowa w zakresie, jaki mogą wykryć nasze detektory" - powiedział dr Uchida. "Jeśli przegapisz jedno, będziesz musiał czekać średnio kilka dziesięcioleci, aby zobaczyć następny."

Super-K nie tylko łapie neutrina pochodzące z kosmosu. Usytuowany po przeciwnej stronie Japonii w Tokai, eksperyment T2K wystrzeliwuje promień neutrinowy o długości 295 km przez Ziemię, który zostanie zebrany w Super-K w zachodniej części kraju. Badanie sposobu, w jaki neutrina zmieniają się (lub "oscylują"), gdy przechodzą przez materię, może nam powiedzieć więcej o pochodzeniu wszechświata, na przykład relacji między materią i antymaterią. "Nasze modele wielkiego Wybuchu przewidują, że materia i antymateria powinny zostać stworzone w równych częściach" - powiedział dr Morgan Wascko z Imperial College - „ale teraz [większość] antymaterii zniknęła w taki czy inny sposób. " Badanie neutrin może być jednym ze sposobów ustalenia, jak do tego doszło.

Jak Super-K łapie neutrina? Znajdujący się 1000 metrów pod ziemią Super-Kamiokande jest tak duży jak 15-piętrowy budynek. Ogromny zbiornik wypełniony jest 50 000 tonami ultra czystej wody. Dzieje się tak, ponieważ podczas podróży przez wodę neutrina są szybsze niż światło. Tak więc, gdy neutrino przemieszcza się przez wodę, "będzie wytwarzać światło w taki sam sposób, w jaki Concord wytwarzał dźwiękowy grom przy przekraczaniu bariery dźwieku" - powiedział dr Uchida. Emitowane przez neutrina nazywamy promieniowaniem Czerenkowa.

"Jeśli samolot leci bardzo szybko, szybciej niż prędkość dźwięku, to wytworzy dźwięk - dużą falę uderzeniową, tak samo jak cząsteczka przechodząca przez wodę, jeśli się porusza szybciej niż prędkość światła w wodzie, może również wytworzyć falę uderzeniową światła. "
Komorę wyłożono 11 000 „złotych żarówek”. Są to niezwykle czułe detektory światła zwane fotopowielaczami, które mogą wykryć to promieniowanie Czerenkowa.

Dr Wascko opisuje je jako "odwrotność żarówek". Mówiąc najprościej, potrafią wykryć nawet maleńkie ilości światła i przekształcić je w prąd elektryczny, który można następnie zaobserwować.
Aby światło dotarło do czujników, woda musi być czystsza, niż można sobie wyobrazić. Super-K nieustannie ją filtruje i oczyszcza, a nawet naświetla ją światłem UV, aby zabić bakterie.


"Woda, która jest ultra-czysta, czeka, aby cokolwiek się w niej rozpuściło" - powiedział dr Uchida. "Czysta woda jest bardzo, bardzo nieprzyjemna, ma właściwości kwasu i zasad."
"Jeśli zdecydujesz się na kąpiel w tej ultra czystej wodzie Super-K, twoja skóra błyskawicznie ulegnie złuszczeniu" - powiedział dr Wascko. "Czy tego chcesz, czy nie."

Kiedy Super-K wymaga konserwacji, naukowcy muszą wyjść na gumowe pontony , aby naprawić i wymienić czujniki. Dr Matthew Malek z University of Sheffield oraz dwie inne osoby przeprowadzały konserwację z pontonu, gdy był doktorantem.

Pod koniec dnia gondola, która normalnie zabiera fizyków ze zbiornika, była zepsuta, więc on i dwóch innych badaczy musiało przez jakiś czas siedzieć na łodziach. "Nie zdawałem sobie sprawy, że jak cofaliśmy się w tych łodziach trochę włosów, prawdopodobnie nie więcej niż trzy centymetry, zostało zanurzone w wodzie", powiedział Malek . Ponieważ w tym czasie odprowadzali wodę z Super-K, Malek nie martwił się o jej zanieczyszczenie. Ale kiedy obudził się o trzeciej nad ranem, miał nietęgą minę.

"Wstałem o trzeciej rano z najsilniejszym swędzeniem głowy, jakie kiedykolwiek miałem w całym moim życiu" - powiedział. "Gorzej niż ospa wietrzna, którą przeszedłem jako dziecko To było tak swędzące, że po prostu nie mogłem spać."

Uświadomił sobie, że woda wypłukała składniki odżywcze z włosów przez końcówki i że ten niedobór składników pokarmowych dotarł do jego głowy. Szybko wskoczył pod prysznic i spędził pół godziny energicznie kondycjonując włosy.

Inna opowieść pochodzi od dr. Wascko, który dowiedział się, że w 2000 roku, gdy zbiornik został całkowicie opróżniony, badacze znaleźli na dnie zarys klucza. "Najwyraźniej ktoś zostawił klucz, gdy wypełniali zbiornik w 1995 roku", powiedział. "Kiedy opróżnili go w 2000 roku okazało się, że klucz się rozpuścił."

A co w przyszłości? Super-K 2.0. Super-Kamiokande ma być ogromny, ale dr Wascko powiedział, że zaproponowano jeszcze większy detektor neutrinowy o nazwie "Hyper-Kamiokande". "Staramy się zatwierdzić ten eksperyment Hyper-Kamiokande, który rozpocznie się około 2026 roku", powiedział. Hyper-K byłby 20 razy większy niż Super-K pod względem czystej objętości i z 99 000 detektorów światła w porównaniu do 11 000.