Ukryty na głębokości 1 km pod górą Ikeno, w kopalni cynku Kamioka, 290 km na północ od Tokio (Japonia), jest miejscem, o którym marzyłby każdy supervillain z dowolnego filmu lub opowieści o superbohaterach. Oto „Super-Kamiokande” (lub „Super-K”) - detektor neutrin. Neutrina to subatomowe cząstki fundamentalne, które bardzo słabo oddziałują ze zwykłą materią. Są w stanie przeniknąć absolutnie wszystko i wszędzie. Obserwacja tych fundamentalnych cząstek pomaga naukowcom znaleźć zapadające się gwiazdy i poznać nowe informacje o naszym wszechświecie. Business Insider rozmawiał z trzema pracownikami stacji Super-Kamiokande i dowiedział się, jak tu wszystko działa i jakie eksperymenty przeprowadzają tu naukowcy.
Zanurzenie się w subatomowym świecie
Neutrina są bardzo trudne do wykrycia. Tak trudnych, że słynny amerykański astrofizyk i popularyzator nauki Neil DeGrasse Tyson nazwał ich kiedyś „najbardziej nieuchwytną zdobyczą w kosmosie”.
„Materia nie stanowi żadnej przeszkody dla neutrin. Te subatomowe cząstki są zdolne do przejścia przez setki lat świetlnych metalu i nawet nie spowalniają”- powiedział Degrass Tyson.
Ale dlaczego naukowcy w ogóle próbują je złapać?
„Kiedy następuje eksplozja supernowej, gwiazda zapada się w siebie i zamienia w czarną dziurę. Jeśli to zdarzenie ma miejsce w naszej galaktyce, detektory neutrin, takie jak ten sam „Super-K”, są w stanie wychwycić neutrina emitowane w ramach tego procesu. Na świecie jest bardzo niewiele takich wykrywaczy”- wyjaśnia Yoshi Uchida z Imperial College London.
Zanim gwiazda zapadnie się, wyrzuca neutrina we wszystkich kierunkach przestrzeni, a laboratoria takie jak Super-Kamiokande służą jako systemy wczesnego ostrzegania, które mówią naukowcom, w którym kierunku patrzeć, aby zobaczyć ostatnie chwile życia gwiazd.
Film promocyjny:
„Uproszczone obliczenia mówią, że zdarzenia wybuchu supernowej w promieniu, w którym nasze detektory mogą je wykryć, zdarzają się tylko raz na 30 lat. Innymi słowy, jeśli przegapisz jedną z nich, będziesz musiał czekać średnio kilkadziesiąt lat przed kolejnym wydarzeniem”- mówi Uchida.
Detektor neutrin Super-K nie tylko wychwytuje neutrina, które trafiają go bezpośrednio z kosmosu. Ponadto neutrina są do niego przesyłane z eksperymentalnego obiektu T2K znajdującego się w mieście Tokai, w przeciwnej części Japonii. Wysłana wiązka neutrin musi przebyć około 295 kilometrów, po czym trafia do detektora Super-Kamiokande zlokalizowanego w zachodniej części kraju.
Obserwowanie, jak neutrina zmieniają się (lub oscylują) podczas podróży przez materię, może powiedzieć naukowcom więcej o naturze wszechświata, na przykład o związku między materią a antymaterią.
„Nasze modele Wielkiego Wybuchu sugerują, że materia i antymateria musiały powstać w równych proporcjach” - powiedział Business Insider Morgan Vasco z Imperial College w Londynie.
„Jednak główna część antymaterii z jakiegoś powodu zniknęła. Jest znacznie bardziej zwyczajna materia niż antymateria."
Naukowcy uważają, że badanie neutrin może być jednym ze sposobów, dzięki którym ostatecznie uda się znaleźć odpowiedź na tę zagadkę.
Jak Super Kamiokande wyłapuje neutrina
Znajdujący się 1000 metrów pod ziemią Super Kamiokande jest mniej więcej taki, wielkości 15-piętrowego budynku.
Schemat detektora neutrin Super-Kamiokande.
Ogromny zbiornik ze stali nierdzewnej w kształcie walca wypełniony jest 50 tysiącami ton specjalnie oczyszczonej wody. Przechodząc przez to neutrino wodne porusza się z prędkością światła.
„Neutrina wchodzące do zbiornika wytwarzają światło w sposób podobny do tego, jak Concorde przełamał barierę dźwięku” - mówi Uchida.
„Jeśli samolot porusza się bardzo szybko i przełamuje barierę dźwięku, to za nim powstaje bardzo silna fala uderzeniowa. Podobnie neutrina przechodzące przez wodę i poruszające się z prędkością większą niż prędkość światła tworzą lekką falę uderzeniową”- wyjaśnia naukowiec.
Na ścianach, suficie i dnie zbiornika zainstalowano ponad 11 000 specjalnych złoconych „żarówek”. Nazywa się je fotopowielaczami i są bardzo wrażliwe na światło. To oni wychwytują te lekkie fale uderzeniowe wytwarzane przez neutrina.
Tak wyglądają fotopowielacze.
Morgan Vasco opisuje je jako „żarówki tylne”. Urządzenia te są tak nadwrażliwe, że nawet przy pomocy jednego kwantu światła są w stanie wygenerować impuls elektryczny, który jest następnie przetwarzany przez specjalny układ elektroniczny.
Nie pij wody, zostaniesz dzieckiem
Aby światło z fal uderzeniowych generowanych przez neutrina dotarło do czujników, woda w zbiorniku musi być krystalicznie czysta. Tak czysty, że nawet nie możesz sobie tego wyobrazić. W Super-Kamiokanda przechodzi ciągły proces specjalnego wielopoziomowego czyszczenia. Naukowcy nawet naświetlają go światłem ultrafioletowym, aby zabić wszystkie możliwe bakterie. W rezultacie staje się taka, że już odczuwa przerażenie.
„Ultra oczyszczona woda może rozpuścić wszystko. Woda ultraczysta to tutaj bardzo, bardzo nieprzyjemna rzecz. Ma właściwości kwaśne i zasadowe”- mówi Uchida.
„Nawet kropla tej wody może sprawić Ci tyle kłopotów, o których nigdy nie śniłeś” - dodaje Vasco.
Ludzie pływają na łodzi w zbiorniku Super-Kamiokande.
Jeśli konieczne jest przeprowadzenie konserwacji wewnątrz zbiornika, na przykład w celu wymiany uszkodzonych czujników, naukowcy muszą użyć gumowej łodzi (na zdjęciu powyżej).
Kiedy Matthew Malek był absolwentem University of Sheffield, on i dwaj inni studenci mieli „szczęście” podjąć podobną pracę. Pod koniec dnia pracy, kiedy trzeba było iść na górę, zepsuła się specjalnie zaprojektowana opuszczana gondola. Fizycy nie mieli innego wyjścia, jak wrócić do łodzi i czekać na ich naprawę.
„Nie od razu zrozumiałem, kiedy leżałem na plecach w tej łodzi i rozmawiałem z innymi, jak maleńka część moich włosów, dosłownie nie dłuższych niż trzy centymetry, dotykała tej wody” - mówi Malek.
Kiedy unosili się wewnątrz Super-Kamiokande, a naukowcy na górze naprawiali gondolę, Malek nie przejmował się niczym. Martwił się wczesnym rankiem, zdając sobie sprawę, że stało się coś strasznego.
„Obudziłem się o 3 nad ranem z nieznośnym swędzeniem głowy. To był prawdopodobnie najgorszy swędzenie, jakiego kiedykolwiek doświadczyłem w życiu. Gorzej niż ospa wietrzna, którą miałam jako dziecko. To było tak straszne, że po prostu nie mogłem już spać”- kontynuował naukowiec.
Malek zdał sobie sprawę, że kropla wody, która spadła na czubek jego włosów, „wyssała” z nich wszystkie składniki odżywcze i ich niedobór dotarł do jego czaszki. W pośpiechu pobiegł pod prysznic i spędził tam ponad pół godziny, próbując odzyskać włosy.
Inną historię opowiedział Vasco. Słyszał, że w 2000 roku podczas konserwacji, personel wypłukał wodę ze zbiornika i znalazł zarys klucza na dnie.
„Najwyraźniej ten klucz przypadkowo zostawił jeden z pracowników, kiedy w 1995 roku napełniali zbiornik wodą. Po przepłukaniu wody w 2000 roku stwierdzili, że klucz się rozpuścił”.
„Super-Kamiokande 2.0”
Pomimo faktu, że Super-Kamiokande jest już bardzo dużym detektorem neutrin, naukowcy zaproponowali stworzenie jeszcze większej instalacji o nazwie Hyper-Kamiokande.
„Jeśli uzyskamy zgodę na budowę Hyper-Kamiokande, detektor będzie gotowy do pracy około 2026 r.” - mówi Vasco.
Zgodnie z proponowaną koncepcją detektor Hyper-Kamiokande będzie 20 razy większy niż Super-Kamiokande. Planuje się wykorzystanie około 99 000 fotopowielaczy.
Nikolay Khizhnyak