Skrit na globini 1 km pod goro Ikeno, v rudniku cinka Kamioka, 290 km severno od Tokija (Japonska), je kraj, o katerem bi kakšen superjunak iz katerega koli filma ali zgodba o superjunaku sanjal kot svoj brlog. Tu je "Super-Kamiokande" (ali "Super-K") - detektor nevtrinov. Nevtrini so subatomski temeljni delci, ki zelo navadno komunicirajo z navadno materijo. So sposobni prodreti v absolutno vse in povsod. Če opazite te temeljne delce, znanstveniki pomagajo najti zvezde, ki se strinjajo, in spoznati nove informacije o našem vesolju. Business Insider se je pogovarjal s tremi zaposlenimi na postaji Super-Kamiokande in ugotovil, kako vse tukaj deluje in katere eksperimente tukaj izvajajo znanstveniki.
Potopimo se v subatomski svet
Nevtrine je zelo težko zaznati. Tako težko, da jih je slavni ameriški astrofizik in popularizator znanosti Neil DeGrasse Tyson nekoč označil za "najbolj neuveljavljen plen v vesolju."
„Snov ne predstavlja nobene ovire za nevtrine. Ti subatomski delci so sposobni preiti kovine svetlobnih let in niti ne upočasniti, je degras Tyson.
Toda zakaj jih znanstveniki sploh poskušajo ujeti?
"Ko pride do eksplozije supernove, se zvezda sesede vase in se spremeni v črno luknjo. Če se ta dogodek zgodi v naši galaksiji, potem lahko nevtrinski detektorji, kot je isti "Super-K", ujamejo nevtrine, ki jih oddajajo kot del tega procesa. Takšnih detektorjev je na svetu zelo malo, "razlaga Yoshi Uchida z Imperial College London.
Preden se zvezda zruši, meče nevtrino v vse smeri vesolja, laboratoriji, kot je Super-Kamiokande, pa služijo kot zgodnji opozorilni sistemi, ki znanstvenikom sporočajo, v katero smer naj gledajo zadnje trenutke življenja zvezd.
Promocijski video:
Poenostavljeni izračuni pravijo, da se dogodki eksplozije supernove v polmeru, v katerih jih lahko zaznajo naši detektorji, zgodijo le enkrat na 30 let. Z drugimi besedami, če boste enega zamudili, boste morali na naslednji dogodek v povprečju počakati nekaj desetletij, «pravi Uchida.
Nevtino detektor Super-K ne pobere samo nevtrinov, ki ga zadenejo neposredno iz vesolja. Poleg tega se nevtrini prenašajo vanj iz poskusnega objekta T2K, ki se nahaja v mestu Tokai, na nasprotnem delu Japonske. Poslani nevtrinski žarek mora preteči približno 295 kilometrov, nato pa vstopi v detektor Super-Kamiokande, ki se nahaja v zahodnem delu države.
Opazovanje, kako se nevtrini spreminjajo (ali nihajo), ko potujejo skozi materijo, lahko znanstvenikom pove več o naravi vesolja, kot je odnos med materijo in antimaterijo.
"Naši modeli Big Bang pravijo, da je treba snov in antimaterijo ustvariti v enakih razmerjih," je za Business Insider povedal Morgan Vasco z Imperial College London.
„Vendar je glavni del antimaterije iz teh ali drugačnih razlogov izginil. Obstaja veliko bolj običajna zadeva kot antimaterija."
Znanstveniki verjamejo, da je proučevanje nevtrinov morda eden od načinov, na katerega bomo končno našli odgovor na to uganko.
Kako Super Kamiokande lovi nevtrine
Super Kamiokande, ki se nahaja na 1000 metrih pod zemljo, je nekaj takega, velikosti 15-nadstropne stavbe.
Shema nevtrinskega detektorja Super-Kamiokande.
Ogromen rezervoar iz nerjavečega jekla v cilindru je napolnjen s 50 tisoč toni posebej prečiščene vode. Prehod skozi to vodno nevtrino se giblje s svetlobno hitrostjo.
"Nevtrini, ki vstopajo v rezervoar, proizvajajo svetlobo v vzorcu, podobnem načinu, kako je Concorde razbil zvočno pregrado," pravi Uchida.
Če se letalo premika zelo hitro in prebije zvočno oviro, se za njim ustvari zelo močan udarni val. Podobno nevtrini, ki prehajajo skozi vodo in se gibljejo hitreje od svetlobne hitrosti, ustvarjajo svetlobni udarni val, «razlaga znanstvenik.
Na stenah, stropu in dnu rezervoarja je nameščenih nekaj več kot 11.000 posebnih pozlačenih "žarnic". Imenujejo jih fotomultiplikatorji in so zelo občutljivi na svetlobo. Prav ti ujamejo te svetlobne udarne valove, ki jih ustvarijo nevtrini.
Fotomultiplikatorji izgledajo tako.
Morgan Vasco jih opisuje kot "zadnje žarnice". Te naprave so tako preobčutljive, da celo s pomočjo enega svetlobnega kvanta lahko ustvarijo električni impulz, ki ga nato obdela poseben elektronski sistem.
Ne pijte vode, postali boste otrok
Da svetloba udarnih valov, ki jih ustvarijo nevtrini, doseže senzorje, mora biti voda v rezervoarju kristalno čista. Tako čist, da si niti ne predstavljam. Pri Super-Kamiokandi gre skozi stalen postopek posebnega večstopenjskega čiščenja. Znanstveniki jo celo obsevajo z ultravijolično svetlobo, da ubije vse možne bakterije v njej. Kot rezultat, postane taka, da jo že prevzame groza.
"Ultra očiščena voda lahko raztopi karkoli. Ultra očiščena voda je tukaj zelo, zelo neprijetna stvar. Ima kislinske in alkalne lastnosti, "pravi Uchida.
"Tudi kapljica te vode vam lahko povzroči toliko težav, o katerih se vam nikoli ni sanjalo," doda Vasco.
Ljudje plujejo s čolnom v rezervoarju Super-Kamiokande.
Če je treba v rezervoarju vzdrževati vzdrževanje, na primer zamenjati okvarjene senzorje, morajo raziskovalci uporabiti gumijast čoln (na sliki zgoraj).
Ko je bil Matthew Malek podiplomski študent na univerzi v Sheffieldu, sta se on in dva druga študenta srečno lotila podobnega dela. Konec delovnega dne, ko je bil čas, da gremo zgoraj, se je pokvarila posebej zasnovana spustna gondola. Fiziki niso imeli druge možnosti, kot da se vrnejo do čolnov in počakajo, da se popravijo.
"Nisem takoj razumel, ko sem v tem čolnu ležal na hrbtu in govoril z drugimi, kako se je majhen del las, dobesedno dolg več kot tri centimetre, dotaknil te vode," pravi Malek.
Ko so plavali v notranjosti Super-Kamiokande in so znanstveniki zgoraj popravili gondolo, Malek ni bil nič zaskrbljen. Naslednje jutro je postal zaskrbljen, zavedajoč se, da se je zgodilo nekaj groznega.
“Zbudil sem se ob 3. uri zjutraj iz neznosen srbeč na glavi. To je bil verjetno najhujši srbež, kar sem jih kdaj doživela v življenju. Še huje od norice, ki sem jo imel kot otrok. Bilo je tako grozno, da preprosto nisem več mogel spati, «je nadaljeval znanstvenik.
Malek je spoznal, da kapljica vode, ki mu je padla na konici las, "izsesa suha" vsa hranila iz njih in njihovo pomanjkanje doseže njegovo lobanjo. V naglici je odhitel pod tuš in preživel več kot pol ure tam, ko je poskušal spraviti lase.
Drugo zgodbo je povedal Vasco. Slišal je, da je leta 2000 med vzdrževanjem osebje izplavalo vodo iz rezervoarja in na dnu našlo obris ključa.
"Očitno je ta ključ slučajno pustil eden od zaposlenih, ko so leta 1995 napolnili rezervoar z vodo. Ko so leta 2000 izplakovali vodo, so ugotovili, da se je ključ raztopil."
Super-Kamiokande 2.0
Kljub temu, da je "Super-Kamiokande" že zelo velik nevtino detektor, so znanstveniki predlagali, da bi ustvarili še večjo instalacijo, imenovano "Hyper-Kamiokande".
"Če bomo dobili dovoljenje za gradnjo Hyper-Kamiokande, bo detektor pripravljen za obratovanje okoli leta 2026," pravi Vasco.
Po predlaganem konceptu bo detektor Hyper-Kamiokande 20-krat večji od Super-Kamiokande. Načrtuje se uporaba približno 99.000 fotomultiplikatorjev.
Nikolaj Hizhnyak