Ascunsă la o adâncime de 1 km sub Muntele Ikeno, în mina de zinc Kamioka, la 290 km nord de Tokyo (Japonia), există un loc la care orice supervilină din orice film sau poveste de supererou ar visa ca bârlogul său. Iată „Super-Kamiokande” (sau „Super-K”) - un detector de neutrini. Neutrinii sunt particule fundamentale subatomice care interacționează foarte slab cu materia obișnuită. Ei sunt capabili să pătrundă absolut orice și peste tot. Observarea acestor particule fundamentale îi ajută pe oamenii de știință să găsească stele care se prăbușesc și să învețe noi informații despre universul nostru. Business Insider a vorbit cu trei angajați ai stației Super-Kamiokande și au aflat cum funcționează totul aici și ce experimente efectuează oamenii de știință aici.
Cufundarea într-o lume subatomică
Neutrinii sunt foarte dificil de detectat. Atât de dificil încât faimosul astrofizicist american și popularizator al științei Neil DeGrasse Tyson i-a numit cândva „cea mai evazivă pradă din spațiu”.
„Materia nu reprezintă niciun obstacol pentru neutrini. Aceste particule subatomice sunt capabile să treacă prin sute de ani-lumină de metal și nici măcar să nu încetinească”, a spus Degrass Tyson.
Dar de ce oamenii de știință încearcă chiar să-i prindă?
„Când are loc o explozie de supernova, steaua se prăbușește în sine și se transformă într-o gaură neagră. Dacă acest eveniment are loc în galaxia noastră, atunci detectoarele de neutrino ca același „Super-K” sunt capabile să prindă neutrinii emisi ca parte a acestui proces. Există foarte puțini astfel de detectori în lume”, explică Yoshi Uchida de la Imperial College London.
Înainte ca steaua să se prăbușească, aruncă neutrini în toate direcțiile spațiului, iar laboratoarele ca Super-Kamiokande servesc ca sisteme de avertizare timpurie care spun oamenilor de știință ce direcție trebuie să privească pentru a vedea chiar ultimele momente ale vieții stelelor.
Video promotional:
„Calcule simplificate spun că evenimentele unei explozii de supernova pe raza în care detectoarele noastre le pot detecta, apar doar o dată la 30 de ani. Cu alte cuvinte, dacă îți lipsește unul, va trebui să aștepți în medie câteva decenii înainte de următorul eveniment”, spune Uchida.
Detectorul de neutrino Super-K nu ridică doar neutrinoii care îl lovesc direct din spațiu. În plus, neutrinii sunt transmise acestuia din instalația experimentală T2K situată în orașul Tokai, în partea opusă a Japoniei. Fasciculul neutrin trimis trebuie să parcurgă aproximativ 295 de kilometri, după care intră în detectorul Super-Kamiokande situat în vestul țării.
Observarea modului în care neutrinii se schimbă (sau oscilează) pe măsură ce călătoresc prin materie poate spune oamenilor de știință mai multe despre natura universului, cum ar fi relația dintre materie și antimaterie.
„Modelele noastre de Big Bang sugerează că materia și antimateria trebuiau create în proporții egale”, a declarat Morgan Vasco de la Imperial College London pentru Business Insider.
„Cu toate acestea, partea principală a antimateriei, dintr-un motiv sau altul, a dispărut. Există mult mai multă materie obișnuită decât antimaterie.
Oamenii de știință consideră că studiul neutrinilor poate fi unul dintre modurile prin care se va găsi răspunsul la această ghicitoare.
Cum Super Kamiokande prinde neutrini
Situat la 1.000 de metri subteran, Super Kamiokande este ceva de genul acesta, dimensiunea unei clădiri cu 15 etaje.
Schema detectorului de neutrini Super-Kamiokande.
Un imens rezervor în formă de cilindru din oțel inoxidabil este umplut cu 50 de mii de tone de apă special purificată. Trecând prin acest neutrin de apă se mișcă cu viteza luminii.
"Neutrinii care intră în rezervor produc lumină într-un model similar cu modul în care Concorde a rupt bariera fonică", spune Uchida.
„Dacă avionul se mișcă foarte repede și rupe bariera sonoră, atunci în spatele acestuia se creează o undă de șoc foarte puternică. În mod similar, neutrinii care trec prin apă și se mișcă mai repede decât viteza luminii creează o undă de șoc ușoară”, explică omul de știință.
Există puțin peste 11.000 de "becuri" aurite speciale instalate pe pereți, tavan și partea inferioară a rezervorului. Se numesc fotomultiplicatori și sunt foarte sensibili la lumină. Ei sunt cei care captează aceste unde de șoc ușor create de neutrini.
Fotomultiplicatorii arată așa.
Morgan Vasco le descrie drept „becuri din spate”. Aceste dispozitive sunt atât de sensibile încât chiar cu ajutorul unui cuantic de lumină sunt capabile să genereze un impuls electric, care este apoi prelucrat de un sistem electronic special.
Nu bea apă, vei deveni copil
Pentru ca lumina din valurile de șoc generate de neutrini să ajungă la senzori, apa din rezervor trebuie să fie limpede. Atât de curat încât nici nu îți poți imagina. La Super-Kamiokanda, trece printr-un proces constant de curățare specială pe mai multe niveluri. Oamenii de știință chiar iradiază cu lumină ultravioletă pentru a ucide toate bacteriile posibile din ea. Drept urmare, ea devine astfel încât ea ia deja groază.
„Apa ultra-purificată poate dizolva orice. Apa ultra-purificată este un lucru foarte, foarte neplăcut aici. Are proprietăți acide și alcaline”, spune Uchida.
„Chiar și o picătură din această apă îți poate provoca atât de multe probleme încât nu ai visat niciodată”, adaugă Vasco.
Oamenii navighează pe o barcă în interiorul lacului de acumulare Super-Kamiokande.
Dacă este necesar să se efectueze întreținerea în interiorul rezervorului, de exemplu, pentru a înlocui senzorii defectați, cercetătorii trebuie să utilizeze o barcă de cauciuc (ilustrată mai sus).
Când Matthew Malek era student la Universitatea din Sheffield, el și alți doi studenți au fost „norocoși” să întreprindă o muncă similară. Spre sfârșitul zilei de lucru, când era timpul să urce, gondola cu picături special proiectată s-a stricat. Fizicienii nu au avut de ales decât să se întoarcă la bărci și să aștepte să fie reparată.
„Nu am înțeles imediat când m-am întins pe spatele acestei bărci și am vorbit cu alții, cum o parte minusculă a părului meu, literalmente nu mai lungă de trei centimetri, a atins această apă”, spune Malek.
În timp ce pluteau în Super-Kamiokande și oamenii de știință de la etaj reparau gondola, Malek nu era îngrijorat de nimic. A devenit îngrijorat a doua zi dimineață, dându-și seama că s-a întâmplat ceva groaznic.
„M-am trezit la 3 dimineața dintr-o mâncărime insuportabilă de pe capul meu. Probabil a fost cea mai rea mâncărime pe care am experimentat-o în viața mea. Mai rău decât varicela, pe care am avut-o ca un copil. Era atât de groaznic, încât pur și simplu nu mai puteam dormi”, a continuat omul de știință.
Malek și-a dat seama că o picătură de apă care a căzut pe vârful părului i-a „aspirat” toate substanțele nutritive din ele, iar deficiența lor a atins craniul. S-a repezit la duș în grabă și a petrecut mai mult de jumătate de oră acolo, încercând să-și recupereze părul.
O altă poveste a fost spusă de Vasco. El a auzit că în 2000, în timpul întreținerii, personalul arunca apa din rezervor și a găsit conturul unei chei în partea de jos.
„Se pare că această cheie a fost lăsată din greșeală de unul dintre angajați când au umplut rezervorul cu apă în 1995. După ce au curgat apa în 2000, au descoperit că cheia s-a dizolvat.
„Super-Kamiokande 2.0”
În ciuda faptului că „Super-Kamiokande” este deja un detector de neutrini foarte mare, oamenii de știință și-au propus să creeze o instalație și mai mare numită „Hyper-Kamiokande”.
„Dacă vom primi aprobarea pentru construcția Hyper-Kamiokande, atunci detectorul va fi gata de funcționare în jurul anului 2026”, spune Vasco.
Conform conceptului propus, detectorul Hyper-Kamiokande va fi de 20 de ori mai mare decât Super-Kamiokande. Se planifică utilizarea a aproximativ 99.000 de fotomultiplicatoare.
Nikolay Khizhnyak
