В километре под горой Икено в Японии скрыт объект, похожий на резиденцую суперзлодея из шпионского кино. Это детектор нейтрино Супер-Камиоканде, сокращенно — Супер-К. Нейтрино — это субатомные частицы, путешествующие в пространстве и проходящие через твердое вещество как сквозь воздух.
Изучение этих частиц помогает ученым обнаружить умирающие звезды и узнать больше о Вселенной. Журналисты издания Business Insider поговорили с тремя учеными о том, как работает гигантская золотая камера и какие опасности она таит.
Субатомный мир
Нейтрино настолько сложно обнаружить, что физик Нил де Грас Тайсон называет их «самой неуловимой добычей в космосе». По его словам, камера Супер-К находится так глубоко под землей для того, чтобы другие частицы не могли попасть в нее.
«Материя не создает препятствий для нейтрино, — говорит физик. — Нейтрино может пройти сквозь световые года стали, даже не замедляясь».
Но зачем их вообще ловить? «Если в нашей галактике сверхновая звезда после взрыва превратится в черную дыру, Супер-К будет одним из немногих объектов, которые смогут увидеть потоки нейтрино от нее», — говорит доктор Йоши Учида из Имперского колледжа в Лондоне.
Перед разрушением звезда испускает нейтрино. Супер-К в таком случае действует как система раннего предупреждения, которая подскажет нам, когда нужно следить за грандиозными космическими событями.
«Согласно расчетам, раз в 30 лет в диапазоне наших детекторов взрывается сверхновая. И если мы пропустим это, придется ждать еще несколько десятков лет», — утверждает Учида.
Нейтрино сквозь Японию
В Японии не только ловят нейтрино, но и запускают их на другой конец страны. Ученые из Токая в 295 километрах от Супер-К запускают пучки нейтрино, чтобы их приняли в золотой камере. Изучение изменений нейтрино, проходящих сквозь вещество, может рассказать нам больше о происхождении Вселенной.
В апреле 2020 года Супер-Камиоканде появился на обложке журнала Nature после научного прорыва с использованием детектора, приблизившего исследователей к пониманию взаимосвязи между веществом и антиматерией.
«Наши модели большого взрыва предсказывают, что материя и антиматерия должны были быть созданы в равных долях, — говорит доктор Морган Васко из Имперского колледжа, — но к нашему времени большая часть антивещества так или иначе пропала».
Исследователи в Супер-Камиоканде выпускали пучки нейтрино и антинейтрино для изучения их колебаний. По словам ученых из Имперского колледжа, эти исследования предоставляют самые убедительные доказательства того, что вещество и антивещество ведут себя по-разному. Это объясняет то, что они не взаимоуничтожились на заре появления Вселенной.
«Эти данные приближают нас к ответу на фундаментальный вопрос о существовании материи в нашей вселенной. Если они подтвердятся, в чем мы сейчас уверены на 95%, это будет иметь серьезные последствия для физики и должно указать путь к пониманию развития нашей вселенной», — говорит доктор Патрик Данн из Имперского колледжа.
Как Супер-К ловит нейтрино
Объект Супер-Камиоканде достигает размеров 15-этажного здания. Огромный резервуар заполнен 50 тысячами тонн сверхчистой воды — при проходе через воду нейтрино двигается быстрее света.
«Если самолет движется очень быстро, быстрее, чем скорость звука, то он будет издавать звук — большую ударную волну. Точно так же частица, проходящая через воду, если она движется быстрее света, вызывает ударную световую волну», — говорит доктор Учида.
Камера облицована 11 000 лампочек золотистого цвета. Это невероятно чувствительные детекторы света Photo Multiplier Tubes (PMT), которые могут улавливать ударные световые волны.
Доктор Васко описывает их как «инверсию света». Проще говоря, они могут обнаружить даже незначительное количество света и преобразовать его в электрический ток, который затем можно наблюдать.
Сверхчистая вода
Чтобы свет от этих ударных волн достигал датчиков, вода должна быть чище, чем вы можете себе представить. Супер-К постоянно фильтрует и повторно очищает воду ультрафиолетом для уничтожения всех возможных бактерий. По словам ученых, такая вода приобретает свойства кислоты или щелочи — у погруженного в нее человека начнет шелушиться кожа. А для замены и ремонта датчиков ученым приходится использовать резиновые лодки.
Доктор Мэтью Малек из Университета Шеффилда и двое других занимались техобслуживанием датчиков во время аспирантуры. После того, как Малеку пришлось коснуться воды кожей головы, он почувствовал жуткий суд, по ощущениям сильнее, чем детская ветрянка — вода смыла все питательные вещества с кожи.
Еще одна история от доктора Васко касается гаечного ключа найденного в 2000 году на дне резервуара. Точнее, контура от него. Видимо, в 1995 году, при заполнении бассейна, кто-то забыл на дне инструмент, и за пять лет он полностью растворился.
Супер-К 2.0
Возможности Супер-Камиоканде не безграничны, и скоро в Японии планируют построить более грандиозный нейтринный детектор под названием Гипер-Камиоканде. Его сооружение могут начать в 2026 году.
Гипер-К будет в 20 раз мощнее Супер-К, его оснастят около 99 тысячами световых детекторов против 11 000 у Супер-К.
Фото: Лаборатория Камиока Университета Токио
