Gjemt på 1 km dybde under Ikeno-fjellet, i Kamioka-sinkgruven, 290 km nord for Tokyo (Japan), er det et sted som enhver supervillain fra en hvilken som helst film eller en superhelthistorie ville drømme om som hans leir. Her er "Super-Kamiokande" (eller "Super-K") - en nøytrino detektor. Neutrino er subatomære grunnleggende partikler som interagerer veldig svakt med vanlig stoff. De er i stand til å trenge gjennom absolutt alt og overalt. Å observere disse grunnleggende partiklene hjelper forskere med å finne kollapsende stjerner og lære ny informasjon om vårt univers. Business Insider snakket med tre ansatte på Super-Kamiokande stasjon og fant ut hvordan alt fungerer her og hvilke eksperimenter forskere gjør her.
Å kaste seg ut i en subatomær verden
Nøytrinoer er veldig vanskelig å oppdage. Så vanskelig at den berømte amerikanske astrofysikeren og popularisereren av vitenskapen Neil DeGrasse Tyson en gang kalte dem "det mest unnvikende byttet i verdensrommet."
“Materiell representerer ikke noe hinder for nøytrinoer. Disse subatomære partiklene er i stand til å passere gjennom hundrevis av lysår med metall og ikke en gang bremse, sier Degrass Tyson.
Men hvorfor prøver forskere selv å fange dem?
“Når en supernovaeksplosjon oppstår, kollapser stjernen i seg selv og blir til et svart hull. Hvis denne hendelsen skjer i galaksen vår, er neutrino detektorer som den samme "Super-K" i stand til å fange nøytrinoene som sendes ut som en del av denne prosessen. Det er veldig få slike detektorer i verden, forklarer Yoshi Uchida fra Imperial College London.
Før en stjerne kollapser, kaster den ut nøytrinoer i alle romretninger, og laboratorier som Super-Kamiokande fungerer som tidlige advarselssystemer som forteller forskere hvilken retning de skal se for å se de siste øyeblikkene i stjernelivet.
Salgsfremmende video:
”Forenklet beregning sier at hendelser av en supernovaeksplosjon i radiusen der detektorene våre kan oppdage dem, bare skjer hvert tredje år. Med andre ord, hvis du savner en, vil du måtte vente i gjennomsnitt flere tiår før neste arrangement, sier Uchida.
Super-K neutrino detektor gjør mer enn bare å fange nøytrinoer som treffer den direkte fra verdensrommet. I tillegg overføres nøytrinoer til det fra T2K-forsøksanlegget som ligger i byen Tokai, i motsatt del av Japan. Den sendte nøytrino-strålen må reise rundt 295 kilometer, hvoretter den kommer inn i Super-Kamiokande-detektoren som ligger i den vestlige delen av landet.
Å observere hvordan nøytrinoer endres (eller svinger) når de ferdes gjennom materie, kan fortelle forskere mer om universets natur, for eksempel forholdet mellom materie og antimaterie.
"Våre Big Bang-modeller antyder at materie og antimaterie måtte skapes i like proporsjoner," sa Morgan Vasco fra Imperial College London til Business Insider.
“Imidlertid forsvant hoveddelen av antimaterien, av en eller annen grunn. Det er mye mer vanlig materie enn antimaterie."
Forskere mener at studiet av nøytrinoer kan være en av måtene svaret på denne gåten til slutt vil bli funnet på.
Hvordan Super Kamiokande fanger nøytrinoer
Super Kamiokande ligger 1000 meter under jorden, og er noe som dette på størrelse med en 15-etasjers bygning.
Skjematisk av Super-Kamiokande neutrino detektor.
En enorm sylinderformet tank i rustfritt stål er fylt med 50 tusen tonn spesielt renset vann. Å passere gjennom dette vannet beveger seg nøytrino med lysets hastighet.
"Neutrinoer som kommer inn i reservoaret produserer lys i et mønster som ligner på hvordan Concorde brøt lydbarrieren," sier Uchida.
“Hvis flyet beveger seg veldig raskt og bryter lydbarrieren, skapes det en veldig kraftig sjokkbølge bak det. Tilsvarende skaper nøytrinoer som passerer gjennom vann og beveger seg raskere enn lysets hastighet, en lys sjokkbølge,”forklarer forskeren.
Det er drøyt 11.000 spesielle forgylte "pærer" installert på veggene, taket og bunnen av tanken. De kalles fotomultiplikatorer og er veldig lysfølsomme. Det er de som fanger opp disse lyssjokkbølgene skapt av nøytrinoene.
Fotomultiplikatorer ser slik ut.
Morgan Vasco beskriver dem som "lyspærer på baksiden". Disse enhetene er så overfølsomme at de selv med hjelp av et lett kvantum er i stand til å generere en elektrisk impuls, som deretter behandles av et spesielt elektronisk system.
Ikke drikk vann, du vil bli barn
For at lys fra sjokkbølger som genereres av nøytrinoer skal nå sensorene, må vannet i tanken være krystallklart. Så ren at du ikke en gang kan forestille deg. Hos Super-Kamiokanda går den gjennom en konstant prosess med spesiell rengjøring på flere nivåer. Forskere bestråler det til og med ultrafiolett lys for å drepe alle mulige bakterier i det. Som et resultat blir hun slik at hun allerede tar redsel.
“Ultra-renset vann kan løse opp hva som helst. Ultra-renset vann er en veldig, veldig ubehagelig ting her. Det har sure og alkaliske egenskaper, sier Uchida.
"Til og med en dråpe av dette vannet kan gi deg så store problemer at du aldri har drømt om," legger Vasco til.
Folk seiler på en båt inne i Super-Kamiokande reservoaret.
Hvis det er nødvendig å utføre vedlikehold inne i tanken, for eksempel for å erstatte mislykkede sensorer, må forskerne bruke en gummibåt (bildet over).
Da Matthew Malek var hovedfagsstudent ved University of Sheffield, var han og to andre studenter "heldige" for å påta seg lignende arbeid. På slutten av arbeidsdagen, da det var tid for å gå oppe, brøt en spesialdesignet nedtrekksgondol ned. Fysikerne hadde ikke noe annet valg enn å gå tilbake til båtene og vente på at den skulle repareres.
"Jeg skjønte ikke umiddelbart da jeg lå på ryggen i denne båten og snakket med andre, hvordan en liten del av håret mitt, bokstavelig talt ikke mer enn tre centimeter langt, rørte ved dette vannet," sier Malek.
Da de fløt inne i Super-Kamiokande og forskerne ovenpå reparerte gondolen, var Malek ikke bekymret for noe. Han ble bekymret tidlig neste morgen, og innså at noe forferdelig hadde skjedd.
“Jeg våknet klokka tre fra en uutholdelig kløe i hodet. Det var sannsynligvis den verste kløen jeg noensinne har opplevd i livet mitt. Verre enn vannkopper, som jeg hadde som barn. Det var så forferdelig at jeg rett og slett ikke fikk sove lenger, fortsatte forskeren.
Malek innså at en dråpe vann som falt på spissen av håret "sugde tørr" alle næringsstoffer fra dem og mangelen deres nådde skallen hans. Han hastet i dusjen i en hast og tilbrakte mer enn en halv time der, og prøvde å få håret tilbake.
En annen historie ble fortalt av Vasco. Han hørte at personell i løpet av vedlikehold skylte vann fra tanken i 2000 og fant omrisset av en skiftenøkkel i bunnen.
”Tilsynelatende ble denne nøkkelen tilfeldigvis forlatt av en av de ansatte da de fylte tanken med vann i 1995. Etter å ha skyllet vann i 2000, fant de ut at nøkkelen hadde løst seg."
Super-Kamiokande 2.0
Til tross for at "Super-Kamiokande" allerede er en veldig stor nøytrino-detektor, har forskere foreslått å lage en enda større installasjon kalt "Hyper-Kamiokande".
"Hvis vi får godkjenning for bygging av Hyper-Kamiokande, vil detektoren være klar til drift rundt 2026," sier Vasco.
I følge det foreslåtte konseptet vil Hyper-Kamiokande-detektoren være 20 ganger større enn Super-Kamiokande. Det er planlagt å bruke rundt 99 000 fotomultiplikatorer.
Nikolay Khizhnyak
