Skryté v hloubce 1 km pod horou Ikeno, v zinkovém dole Kamioka, 290 km severně od Tokia (Japonsko), existuje místo, o kterém by jakýkoli supervillain z jakéhokoli filmu nebo superhrdina vyprávěl jako o svém doupěti. Zde je „Super-Kamiokande“(nebo „Super-K“) - detektor neutrin. Neutrina jsou subatomické základní částice, které velmi slabě interagují s běžnou hmotou. Jsou schopni proniknout absolutně všude a všude. Pozorování těchto základních částic pomáhá vědcům najít hrozné hvězdy a dozvědět se nové informace o našem vesmíru. Business Insider hovořil se třemi zaměstnanci stanice Super-Kamiokande a zjistil, jak všechno tady funguje a jaké experimenty zde vedci provádějí.
Ponořit se do subatomického světa
Neutrinos je velmi obtížné odhalit. Tak obtížné, že je slavný americký astrofyzik a popularizátor vědy Neil DeGrasse Tyson jednou nazval „nejpolapilnější kořistí ve vesmíru“.
"Hmota nepředstavuje žádnou překážku pro neutrina." Tyto subatomické částice jsou schopné procházet stovkami světelných let kovu a dokonce ani zpomalit, “řekl Degrass Tyson.
Ale proč se vědci pokoušejí je chytit?
"Když dojde k výbuchu supernovy, hvězda se zhroutí do sebe a změní se na černou díru." Pokud k této události dojde v naší galaxii, potom detektory neutrin, jako je stejný „Super-K“, dokážou zachytit neutrina emitovaná jako součást tohoto procesu. Na světě existuje jen velmi málo takových detektorů, “vysvětluje Yoshi Uchida z Imperial College London.
Než se hvězda zhroutí, vypustí neutrina ve všech směrech vesmíru a laboratoře, jako je Super-Kamiokande, slouží jako systémy včasného varování, které vědcům říkají, kterým směrem se podívat, aby viděli poslední okamžiky hvězdného života.
Propagační video:
"Zjednodušené výpočty říkají, že k událostem výbuchu supernovy v okruhu, ve kterém je mohou detekovat naše detektory, dochází pouze jednou za 30 let." Jinými slovy, pokud vám chybí jedna, budete muset před další událostí čekat v průměru několik desetiletí, “říká Uchida.
Detektor Super-K neutrina nejen vyzvedne neutrina, která ho zasáhla přímo z vesmíru. Kromě toho jsou neutrina přenášena z experimentálního zařízení T2K umístěného ve městě Tokai, v opačné části Japonska. Vyslaný neutrinový paprsek musí urazit asi 295 kilometrů, poté vstoupí do detektoru Super-Kamiokande, který se nachází v západní části země.
Pozorování toho, jak se neutrina mění (nebo kmitá), když cestují hmotou, mohou vědcům říci více o povaze vesmíru, jako je vztah mezi hmotou a antihmotou.
"Naše modely Big Bang naznačují, že hmota a antihmota musely být vytvořeny ve stejných proporcích," řekl Morgan Vasco z Imperial College London pro Business Insider.
"Nicméně hlavní část antihmoty z nějakého důvodu zmizela." Existuje mnohem běžnější záležitost než antihmota. “
Vědci se domnívají, že studium neutrin může být jedním ze způsobů, jak konečně najít odpověď na tuto hádanku.
Jak Super Kamiokande chytí neutrina
Nachází se 1 000 metrů pod zemí, Super Kamiokande je něco takového, velikost 15-podlažní budovy.
Schéma detektoru Super-Kamiokande neutrin.
Obrovská nádrž ve tvaru válce z nerezové oceli je naplněna 50 tisíci tunami speciálně vyčištěné vody. Procházející tímto vodním neutrinem se pohybuje rychlostí světla.
"Neutrinos vstupující do nádrže produkují světlo podobným způsobem, jakým Concorde prolomil zvukovou bariéru," říká Uchida.
"Pokud se letadlo pohybuje velmi rychle a překonává zvukovou bariéru, vytvoří se za ním velmi silná rázová vlna." Podobně neutrina procházející vodou a pohybující se rychleji, než je rychlost světla, vytváří světelnou rázovou vlnu, “vysvětluje vědec.
Na stěnách, stropu a dně nádrže je instalováno přes 11 000 speciálních zlacených „žárovek“. Nazývají se fotonásobiče a jsou velmi citlivé na světlo. Jsou to oni, kdo zachytí tyto světelné rázové vlny vytvořené neutriny.
Fotomultiplikátoři vypadají takto.
Morgan Vasco je popisuje jako „zadní žárovky“. Tato zařízení jsou tak supersenzitivní, že i s pomocí jednoho kvantového světla jsou schopna generovat elektrický impuls, který je pak zpracován speciálním elektronickým systémem.
Nepijte vodu, stanete se dítětem
Aby světlo z nárazových vln generovaných neutriny dosáhlo senzorů, musí být voda v nádrži křišťálově čistá. Tak čisté, že si ani neumíte představit. Ve společnosti Super-Kamiokanda prochází neustálým procesem speciálního víceúrovňového čištění. Vědci to dokonce ozařují ultrafialovým světlem, aby v něm zabili všechny možné bakterie. V důsledku toho se stane takovou, že už má hrůzu.
"Ultračištěná voda může rozpustit cokoli." Velmi čištěná voda je zde velmi, velmi nepříjemná věc. Má kyselé a alkalické vlastnosti, “říká Uchida.
"I kapka této vody vám může způsobit tolik problémů, o kterých jste nikdy nesnili," dodává Vasco.
Lidé plují na lodi uvnitř nádrže Super-Kamiokande.
Pokud je třeba provést údržbu uvnitř nádrže, například pro výměnu poškozených senzorů, musí vědci použít gumovou loď (na obrázku výše).
Když byl Matthew Malek postgraduálním studentem na University of Sheffield, on a dva další studenti měli „štěstí“, že mohli vykonávat podobnou práci. Na konci pracovního dne, kdy nastal čas jít nahoru, se rozpadla speciálně navržená rozkládací gondola. Fyzici neměli na výběr, ale vrátit se k lodím a čekat na opravu.
"Okamžitě jsem nepochopil, když jsem ležel na zádech v této lodi a mluvil s ostatními, jak se tato voda, doslova ne déle než tři centimetry, dotkla této vody," říká Malek.
Když se vznášeli uvnitř Super-Kamiokande a vědci nahoře opravovali gondolu, Malek se o nic nestaral. Brzy ráno se obával, uvědomil si, že se stalo něco strašného.
"Probudil jsem se ve 3 ráno z nesnesitelné svědění na hlavě." Byl to pravděpodobně nejhorší svědění, jaké jsem kdy zažil. Horší než plané neštovice, které jsem měl jako dítě. Bylo to tak hrozné, že jsem už prostě nemohl spát, “pokračoval vědec.
Malek si uvědomil, že kapka vody, která dopadla na špičku jeho vlasů, „vysala“všechny živiny z nich a jejich nedostatek dosáhl jeho lebky. Spěchal do sprchy ve spěchu a strávil tam více než půl hodiny a snažil se získat vlasy zpět.
Další příběh vyprávěl Vasco. Slyšel, že v roce 2000, během údržby, personál propláchl vodu z nádrže a našel obrys klíče na dně.
„Tento klíč zřejmě náhodou nechal jeden ze zaměstnanců, když v roce 1995 naplnili nádrž vodou. Když v roce 2000 propláchli vodu, zjistili, že klíč byl rozpuštěn. “
Super-Kamiokande 2.0
Přes skutečnost, že Super-Kamiokande je již velmi velký detektor neutrin, vědci navrhli vytvořit ještě větší instalaci nazvanou Hyper-Kamiokande.
"Pokud dostaneme schválení pro výstavbu Hyper-Kamiokande, detektor bude připraven k provozu kolem roku 2026," říká Vasco.
Podle navrhovaného konceptu bude detektor Hyper-Kamiokande 20krát větší než detektor Super-Kamiokande. Plánuje se použití asi 99 000 fotonásobičů.
Nikolay Khizhnyak