Як працюють детектори нейтрино: приклад японського «Супер-Камиоканде»

Сховавшись на глибині 1 км під горою Икено, цинкової шахті Камиока, в 290 км на північ від Токіо (Японія) розташоване місце, про яке в якості свого лігва мріяв би будь суперлиходій з якогось кінофільму або розповіді про супергоях. Тут розташований «Супер-Камиоканде» (або «Супер-До») — нейтринний детектор. Нейтрино являють собою субатомні фундаментальні частинки, дуже слабко взаємодіють із звичайною матерією. Вони здатні проникати абсолютно у всі і скрізь. Спостереження за цими фундаментальними частками допомагає вченим знаходити коллапсирующие зірки і дізнаватися нову інформацію про нашого Всесвіту. Видання Business Insider поспілкувалося з трьома співробітниками станції «Супер-Камиоканде» і з'ясувало як тут все працює і які експерименти тут проводять вчені.

Занурюючись в субатомний світ

Нейтрино дуже складно виявити. Настільки складно, що знаменитий американський вчений і популяризатор науки Ніл Деграсс Тайсон одного разу назвав їх «найбільш невловимою здобиччю в космосі».

«Матерія не представляє для нейтрино ніякої перешкоди. Ці субатомні частинки здатні пройти через сотні світлових років металу і навіть не забариться», — сказав Деграсс Тайсон.

Але навіщо вчені взагалі намагаються їх вловити?

«Коли відбувається спалах наднової, зірка колапсує в себе і перетворюється в чорну діру. Якщо ця подія відбувається в нашій галактиці, то детектори нейтрино зразок того ж «Супер-До» здатні вловити викидаються в рамках цього процесу нейтрино. Таких детекторів дуже мало в світі», — пояснює Йоші Учіда з Імперського коледжу Лондона.

Перед тим як зірка колапсує, вона викидає в усі сторони космічного простору нейтрино, а лабораторії подібні «Супер-Камиоканде» служать в ролі систем раннього попередження, які говорять вченим в який бік дивитися, щоб побачити останні миті життя зірок.

«Спрощені розрахунки говорять, що події вибуху наднової в радіусі, в якому наші детектори можуть їх вловити, відбуваються лише один раз на 30 років. Іншими словами, якщо ви пропустите одне, то доведеться чекати в середньому ще кілька десятиліть до наступного події», — говорить Учіда.

Детектор нейтрино «Супер-До» не просто вловлює нейтрино, що потрапляють на нього прямо з космосу. Крім цього, на нього передається нейтрино з експериментальної установки T2K, розташованої в місті Токай, що в протилежній частині Японії. Відрядженому пучка нейтрино доводиться проходити близько 295 кілометрів, після чого він потрапляє в детектор «Супер-Камиоканде», розташований в західній частині країни.

Спостереження за тим, як нейтрино змінюються (або осциллируют) при русі через матерію, може розповісти вченим більше про природу Всесвіту, наприклад, про взаємозв'язки між матерією і антиматерией.

«Наші моделі «Великого вибуху» говорять про те, що матерія і антиматерія повинні були створюватися в рівних пропорціях», — сказав в інтерв'ю Business Insider Морган Васко з Імперського Коледжу Лондона.

«Проте основна частина антиматерії за якийсь або з якихось причин зникла. Звичайної матерії значно більше ніж антиматерії».

Вчені вважають, що вивчення нейтрино може стати одним із шляхів, завдяки якому відповідь на цю загадку нарешті буде знайдений.

Як «Супер-Камиоканде вловлює нейтрино

Розташований на глибині 1000 метрів під землею, «Супер-Камиоканде» розміром з 15-поверхова будівля являє собою щось на зразок цього.

Схема детектора нейтрино «Супер-Камиоканде»

Величезний резервуар з нержавіючої сталі у формі циліндра заповнений 50 тисячами тонн спеціально очищеної води. Проходячи через цю воду нейтрино рухається зі швидкістю швидше швидкості світла.

«Нейтрино потрапляючи в резервуар виробляють світло за схемою аналогічною того, як «Конкорд» подолала звуковий бар'єр», — говорить Учіда.

«Якщо літак рухається дуже швидко і долає звуковий бар'єр, то позаду нього створюється дуже потужна ударна звукова хвиля. Аналогічним чином нейтрино проходячи через воду і рухаючись швидше швидкості світла створює світлову ударну хвилю», — пояснює вчений.

На стінах, стелі і дні резервуара встановлено трохи більше 11 000 спеціальних позолочених «лампочок». Вони називаються фотоумножителями і є дуже світлочутливими. Вони-то і вловлюють ці світлові ударні хвилі, створювані нейтрино.

Виглядають фотоумножители так

Морган Васко описує їх як «зворотні лампочки». Ці надчутливі прилади настільки, що навіть з допомогою одного кванта світла здатні генерувати електричний імпульс, який потім обробляється спеціальною електронною системою.

Не пий водицю, козенятком станеш

Щоб світло від ударних хвиль, створюваних нейтрино досяг сенсорів вода в резервуарі повинна бути кришталево чистою. Настільки чистою, що ви навіть не можете собі уявити. У «Супер-Камиоканде» вона проходить постійний процес спеціальної багаторівневої очищення. Вчені навіть опромінюють її ультрафіолетовим світлом, щоб убити в ній всі можливі бактерії. У результаті вона стає такою, що аж жах бере.

«Сверхочищенная вода може розчинити все що завгодно. Сверхочищенная вода тут – дуже і дуже неприємна штука. Вона має властивості кислоти і лугу», — говорить Учіда.

«Навіть крапля води можедоставити вам стільки неприємностей, що вам і не снилося», — додає Васко.

Люди пливуть на човні всередині резервуара «Супер-Камиоканде»

При необхідності провести технічне обслуговування всередині резервуара, наприклад, для заміни що вийшли з ладу сенсорів, дослідникам доводиться використовувати гумовий човен (на фото вище).

Коли Метью Мальок був аспірантом Шеффілдського університету йому та ще двом студентам «пощастило» провести подібну роботу. До кінця робочого дня, коли настав час підніматися наверх, спеціально призначена для цього опускається гондола зламалася. Фізикам нічого не залишалося робити, як повернутися назад до човна і чекати, поки її полагодять.

«Я відразу не зрозумів, коли лежав на спині в цьому човні і розмовляв з рештою, як крихітна частина моїх волосся, буквально не більше трьох сантиметрів завдовжки, доторкнулася до цієї воді», — розповідає Мальок.

Поки вони плавали всередині «Супер-Камиоканде», а вчені нагорі лагодили гондолу, Мальок ні про що не турбувався. Він занепокоївся рано вранці наступного дня, зрозумівши, що сталося щось страшне.

«Я прокинувся в 3 ранку від нестерпного свербежу на голові. Це був напевно самий страшний свербіж, який я коли-небудь відчував у своєму житті. Гірше, ніж від вітрянки, якої я перехворів у дитинстві. Він був настільки жахливий, що я просто не міг більше заснути», — продовжив учений.

Мальок зрозумів, що крапля води, що потрапила на кінчик його волосся, «висмоктала насухо» з них все нутрієнти і їх дефіцит досяг його черепа. Він поспіхом побіг в душ і провів там більше півгодини, намагаючись повернути в стан волосся.

Ще одну історію розповів Васко. Він чув, що в 2000-му році при проведенні технічного обслуговування персонал спустив воду з резервуара і виявив на дні обриси гайкового ключа.

«Мабуть цей ключ випадково залишив один із співробітників, коли вони заповнювали резервуар водою в 1995 році. Спустивши воду в 2000-му, вони виявили, що ключ розчинився».

«Супер-Камиоканде 2.0»

Незважаючи на те, що «Супер-Камиоканде» і без того є дуже великим детектором нейтрино, вчені запропонували створити ще більш велику установку під назвою «Гіпер-Камиоканде».

«Якщо отримаємо схвалення на будівництво «Гіпер-Камиоканде», то детектор буде готовий до роботи приблизно в 2026 році», — говорить Васко.

Відповідно до запропонованої концепції, детектор «Гіпер-Камиоканде» буде в 20 разів більше «Супер-Камиоканде». У ньому планується використовувати близько 99 000 фотоумножителей.