Hi-Tech

Как работают детекторы нейтрино: пример японского «Супер-Камиоканде»

Здесь расположен «Супер-Камиоканде» (или «Супер-К») — нейтринный детектор. Спрятавшись на глубине в 1 км под горой Икено, в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио (Япония) расположено место, о котором в качестве своего логова мечтал бы любой суперзлодей из какого-нибудь кинофильма или рассказа о супергоях. Они способны проникать абсолютно во все и везде. Нейтрино представляют собой субатомные фундаментальные частицы, очень слабо взаимодействующие с обычной материей. Издание Business Insider пообщалось с тремя сотрудниками станции «Супер-Камиоканде» и выяснило как здесь все работает и какие эксперименты здесь проводят ученые. Наблюдение за этими фундаментальными частицами помогает ученым находить коллапсирующие звезды и узнавать новую информацию о нашей Вселенной.

Погружаясь в субатомный мир

Настолько сложно, что знаменитый американский астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон однажды назвал их «самой неуловимой добычей в космосе». Нейтрино очень сложно обнаружить.

Эти субатомные частицы способны пройти через сотни световых лет металла и даже не замедлиться», — сказал Деграсс Тайсон. «Материя не представляет для нейтрино никакой преграды.

Но зачем ученые вообще пытаются их уловить?

Если это событие происходит в нашей галактике, то детекторы нейтрино вроде того же «Супер-К» способны уловить выбрасываемые в рамках этого процесса нейтрино. «Когда происходит вспышка сверхновой, звезда коллапсирует в себя и превращается в черную дыру. Таких детекторов очень мало в мире», — объясняет Йоши Учида из Имперского колледжа Лондона.

Перед тем как звезда коллапсирует, она выбрасывает во все стороны космического пространства нейтрино, а лаборатории подобные «Супер-Камиоканде» служат в роли систем раннего предупреждения, которые говорят ученым в какую сторону смотреть, чтобы увидеть самые последние мгновения жизни звезд.

Другими словами, если вы пропустите одно, то придется ждать в среднем еще несколько десятилетий до следующего события», — говорит Учида. «Упрощенные расчеты говорят, что события взрыва сверхновой в радиусе, в котором наши детекторы могут их уловить, происходят лишь один раз в 30 лет.

Кроме этого, на него передается нейтрино с экспериментальной установки T2K, расположенной в городе Токай, что в противоположной части Японии. Детектор нейтрино «Супер-К» не просто улавливает нейтрино, попадающие на него прямо из космоса. Отправленному пучку нейтрино приходится проходить около 295 километров, после чего он попадает в детектор «Супер-Камиоканде», расположенный в западной части страны.

Наблюдение за тем, как нейтрино изменяются (или осциллируют) при движении через материю, может рассказать ученым больше о природе Вселенной, например, о взаимосвязи между материей и антиматерией.

«Наши модели «Большого взрыва» говорят о том, что материя и антиматерия должны были создаваться в равных пропорциях», — сказал в интервью Business Insider Морган Васко из Имперского Колледжа Лондона.

Обычной материи значительно больше чем антиматерии». «Однако основная часть антиматерии по какой-то или по каким-то причинам исчезла.

Ученые считают, что изучение нейтрино может стать одним из путей, благодаря которому ответ на эту загадку будет наконец-то найден.

Как «Супер-Камиоканде» улавливает нейтрино

Расположенный на глубине 1000 метров под землей, «Супер-Камиоканде» размером с 15-этажное здание представляет собой что-то вроде этого.

Схема детектора нейтрино «Супер-Камиоканде»

Проходя через эту воду нейтрино двигается со скоростью быстрее скорости света. Огромный резервуар из нержавеющей стали в форме цилиндра заполнен 50 тысячами тонн специально очищенной воды.

«Нейтрино попадая в резервуар производят свет по схеме аналогичной тому, как «Конкорд» преодолевал звуковой барьер», — говорит Учида.

Аналогичным образом нейтрино проходя через воду и двигаясь быстрее скорости света создает световую ударную волну», — объясняет ученый. «Если самолет движется очень быстро и преодолевает звуковой барьер, то позади него создается очень мощная ударная звуковая волна.

Они называются фотоумножителями и являются очень светочувствительными. На стенах, потолке и дне резервуара установлено чуть более 11 000 специальных позолоченных «лампочек». Они-то и улавливают эти световые ударные волны, создаваемые нейтрино.

Выглядят фотоумножители так

Эти приборы настолько сверхчувствительны, что даже с помощью одного кванта света способны генерировать электрический импульс, который затем обрабатывается специальной электронной системой. Морган Васко описывает их как «обратные лампочки».

Не пей водицу, козленочком станешь

Настолько чистой, что вы даже не можете себе представить. Чтобы свет от ударных волн, создаваемых нейтрино достиг сенсоров вода в резервуаре должна быть кристально чистой. Ученые даже облучают ее ультрафиолетовым светом, чтобы убить в ней все возможные бактерии. В «Супер-Камиоканде» она проходит постоянный процесс специальной многоуровневой очистки. В итоге она становится такой, что аж жуть берет.

Сверхочищенная вода здесь – очень и очень неприятная штука. «Сверхочищенная вода может растворить все что угодно. Она обладает свойствами кислоты и щелочи», — говорит Учида.

«Даже капля этой воды может доставить вам столько неприятностей, что вам и не снилось», — добавляет Васко.

Люди плывут на лодке внутри резервуара «Супер-Камиоканде»

При необходимости провести техническое обслуживание внутри резервуара, например, для замены вышедших из строя сенсоров, исследователям приходится использовать резиновую лодку (на фото выше).

К концу рабочего дня, когда пришло время подниматься наверх, специально предназначенная для этого опускаемая гондола сломалась. Когда Мэтью Малек был аспирантом Шеффилдского университета ему и еще двум студентам «посчастливилось» провести подобную работу. Физикам ничего не оставалось делать, как обратно вернуться в лодки и ждать, пока ее починят.

«Я сразу не понял, когда лежал на спине в этой лодке и разговаривал с остальными, как крошечная часть моих волос, буквально не больше трех сантиметров длиной, прикоснулась к этой воде», — рассказывает Малек.

Он забеспокоился рано утром на следующий день, осознав, что произошло нечто жуткое. Пока они плавали внутри «Супер-Камиоканде», а ученые наверху чинили гондолу, Малек ни о чем не беспокоился.

Это был наверно самый жуткий зуд, который я когда-либо испытывал в своей жизни. «Я проснулся в 3 утра от невыносимого зуда на голове. Он был настолько ужасен, что я просто не мог больше заснуть», — продолжил ученый. Хуже, чем от ветрянки, которой я переболел в детстве.

Он в спешке побежал в душ и провел там более получаса, пытаясь вернуть в состояние свои волосы. Малек понял, что капля воды, попавшая на кончик его волос, «высосала досуха» из них все нутриенты и их дефицит достиг его черепа.

Он слышал, что в 2000-м году при проведении технического обслуживания персонал спустил из резервуара воду и обнаружил на дне очертания гаечного ключа. Еще одну историю рассказал Васко.

Спустив воду в 2000-м, они обнаружили, что ключ растворился». «Видимо этот ключ случайно оставил один из сотрудников, когда они заполняли резервуар водой в 1995 году.

«Супер-Камиоканде 2.0»

Несмотря на то, что «Супер-Камиоканде» и без того является очень большим детектором нейтрино, ученые предложили создать еще более крупную установку под названием «Гипер-Камиоканде».

«Если получим одобрение на строительство «Гипер-Камиоканде», то детектор будет готов к работе приблизительно в 2026 году», — говорит Васко.

В нем планируется использовать около 99 000 фотоумножителей. Согласно предложенной концепции, детектор «Гипер-Камиоканде» будет в 20 раз больше «Супер-Камиоканде».

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть