Скрит на дълбочина 1 км под връх Икено, в рудника за цинк Камиока, на 290 км северно от Токио (Япония), има място, за което всеки суперзлодей от някой филм или история за супергерой би мечтал за своето бърлогата. Ето "Super-Kamiokande" (или "Super-K") - детектор за неутрино. Неутрино са субатомни основни частици, които взаимодействат много слабо с обикновената материя. Те са в състояние да проникнат в абсолютно всичко и навсякъде. Наблюдаването на тези основни частици помага на учените да намерят рушащи се звезди и да научат нова информация за нашата Вселена. Business Insider разговаря с трима служители на станцията Super-Kamiokande и разбра как всичко работи тук и какви експерименти провеждат учени.
Потъване в субатомния свят
Неутриносите са много трудни за откриване. Толкова трудно, че известният американски астрофизик и популяризатор на науката Нийл Дегрес Тайсън навремето ги нарече "най-неуловимата плячка в космоса".
„Материята не представлява пречка за неутрино. Тези субатомни частици са способни да преминат през стотици светлинни години метал и дори да не се забавят”, казва Деграс Тайсън.
Но защо учените дори се опитват да ги хванат?
„Когато се получи експлозия на свръхнова, звездата се срива в себе си и се превръща в черна дупка. Ако това събитие се случи в нашата галактика, тогава неутрино детекторите като същия "Супер-К" са в състояние да улавят неутрино, излъчено като част от този процес. В света има много малко такива детектори “, обяснява Йоши Учида от Imperial College London.
Преди звездата да се срине, тя хвърля неутрино във всички посоки на космоса, а лаборатории като Супер-Камиоканде служат като системи за ранно предупреждение, които казват на учените в коя посока да гледат, за да видят последните моменти от живота на звездата.
Промоционално видео:
„Опростените изчисления казват, че събития на експлозия на свръхнова в радиуса, в която нашите детектори могат да ги открият, се случват само веднъж на 30 години. С други думи, ако пропуснете такова, ще трябва да изчакате средно няколко десетилетия преди следващото събитие “, казва Учида.
Неутрино детекторът Super-K не просто взима неутрино, които го удрят директно от космоса. В допълнение, неутрино се предават към него от експерименталното съоръжение T2K, разположено в град Токай, в противоположната част на Япония. Изпратеният неутрино лъч трябва да измине около 295 километра, след което влиза в детектора Super-Kamiokande, разположен в западната част на страната.
Наблюдаването как неутрино се променя (или се колебае), докато пътуват през материята, може да каже на учените повече за природата на Вселената, като връзката между материята и антиматерията.
"Нашите модели за Големия взрив предполагат, че материята и антиматерията трябва да бъдат създадени в равни пропорции", заяви Морган Васко от Imperial College London пред Business Insider.
„Въпреки това основната част от антиматерията, по някаква или друга причина, изчезна. Има много по-обикновена материя от антиматерията."
Учените смятат, че изследването на неутрино може да бъде един от начините, чрез които най-накрая ще бъде намерен отговорът на тази загадка.
Как Супер Камиоканде улавя неутрино
Разположен на 1000 метра под земята, Super Kamiokande е нещо подобно, с размерите на 15-етажна сграда.
Схематична схема на неутрино детектор Super-Kamiokande.
Огромен резервоар от неръждаема стомана във формата на цилиндър е напълнен с 50 хиляди тона специално пречистена вода. Преминавайки през тази вода неутрино се движи със скоростта на светлината.
„Неутриносите, влизащи в резервоара, произвеждат светлина по образец, подобен на това как Конкордът пречупи звуковата бариера“, казва Учида.
„Ако самолетът се движи много бързо и нарушава звуковата бариера, тогава зад него се създава много мощна ударна вълна. По същия начин, неутрино, преминаващи през вода и движещи се по-бързо от скоростта на светлината, създава светлинна ударна вълна “, обяснява ученият.
На стените, тавана и дъното на резервоара са монтирани малко над 11 000 специални позлатени "крушки". Те се наричат фотоумножители и са много чувствителни към светлина. Именно те улавят тези светлинни ударни вълни, създадени от неутрино.
Фотоумножителите изглеждат така.
Морган Васко ги описва като "задни крушки". Тези устройства са толкова свръхчувствителни, че дори с помощта на един светлинен квант те са в състояние да генерират електрически импулс, който след това се обработва от специална електронна система.
Не пийте вода, ще станете дете
За да може светлината от ударните вълни, генерирани от неутрино, да достигне до сензорите, водата в резервоара трябва да е кристално чиста. Толкова чист, че дори не можеш да си представиш. При Super-Kamiokanda преминава през постоянен процес на специално многостепенно почистване. Учените дори го облъчват с ултравиолетова светлина, за да убият всички възможни бактерии в него. В резултат на това тя става такава, че вече приема ужас.
„Ултра пречистената вода може да разтвори всичко. Ултра-пречистената вода е много, много неприятно нещо тук. Той има киселинни и алкални свойства “, казва Учида.
„Дори капка от тази вода може да ви причини толкова много неприятности, за които никога не сте мечтали“, добавя Васко.
Хората плават с лодка в резервоара Супер-Камиоканде.
Ако е необходимо да се извърши поддръжка вътре в резервоара, например, за подмяна на повредени сензори, изследователите трябва да използват гумена лодка (на снимката по-горе).
Когато Матю Малек беше аспирант в университета в Шефилд, той и още двама студенти имаха "късмет" да предприемат подобна работа. В края на работния ден, когато дойде време да се качи горе, се развали специално проектирана падаща кабинкова лифт. Физиците нямаха друг избор, освен да се върнат към лодките и да изчакат да бъдат поправени.
„Не разбрах веднага, когато лежах по гръб в тази лодка и разговарях с другите, как една мъничка част от косата ми, буквално не повече от три сантиметра, докосна тази вода“, казва Малек.
Докато те плаваха вътре в Супер-Камиоканде и учените горе ремонтираха кабинковия лифт, Малек не се притесни от нищо. Той се разтревожи рано на следващата сутрин, осъзнавайки, че се е случило нещо ужасно.
„Събудих се в 3 часа сутринта от непоносим сърбеж по главата. Това беше може би най-лошият сърбеж, който съм изпитвал през живота си. По-лошо от варицела, която имах като дете. Беше толкова ужасно, че просто не можех да спя повече “, продължи ученият.
Малек осъзнал, че капка вода, която падала на върха на косата му, „изсмуквала сухи“всички хранителни вещества от тях и дефицитът им достигнал черепа му. Набързо се втурна под душа и прекара там повече от половин час, опитвайки се да си върне косата.
Друга история разказа Васко. Той чул, че през 2000 г. по време на техническото обслужване персоналът промил вода от резервоара и открил очертанията на гаечен ключ на дъното.
„Явно този ключ е бил оставен случайно от един от служителите, когато са напълнили резервоара с вода през 1995 г. След като промиха вода през 2000 г., те установиха, че ключът се е разтворил."
Супер-Камиоканде 2.0
Въпреки факта, че Super-Kamiokande вече е много голям детектор за неутрино, учените предложиха да се създаде още по-голяма инсталация, наречена Hyper-Kamiokande.
„Ако получим одобрение за изграждането на Хипер-Камиоканде, детекторът ще е готов за експлоатация около 2026 г.“, казва Васко.
Според предложената концепция, детекторът Hyper-Kamiokande ще бъде 20 пъти по-голям от Super-Kamiokande. Предвижда се използването на около 99 000 фотоумножители.
Николай Хижняк
