На глибині кілометру під горою Ікено в Японії приховано об’єкт, схожий на резиденцію суперлиходія зі шпигунського кіно. Це детектор нейтрино Супер-Каміоканде, скорочено — Супер-К. Нейтрино — це субатомні частинки, які подорожують простором і проходять через тверду речовину як крізь повітря.
Вивчення цих частинок допомагає вченим виявити вмираючі зірки і дізнатися більше про Всесвіт. Журналісти видання Business Insider поговорили з трьома вченими про те, як працює гігантська золота камера і які небезпеки вона приховує.
Субатомний світ
Нейтрино настільки складно виявити, що фізик Ніл де Грас Тайсон називає їх «найбільш невловимою здобиччю у космосі». За його словами, камера Супер-К знаходиться так глибоко під землею для того, щоб інші частинки не могли потрапити до неї.
«Матерія не створює перешкод для нейтрино, — каже фізик. — Нейтрино може пройти крізь світлові роки сталі, навіть не сповільняючись».
Але навіщо їх взагалі ловити? «Якщо в нашій галактиці наднова зірка після вибуху перетвориться на чорну діру, Супер-К буде одним з небагатьох об’єктів, які зможуть побачити потоки нейтрино від неї», — говорить доктор Йоші Учіда з Імперського коледжу в Лондоні.
Перед руйнуванням зірка випускає нейтрино. Супер-К в такому випадку діє як система раннього попередження, яка підкаже нам, коли потрібно стежити за грандіозними космічними подіями.
«Згідно з розрахунками, раз на 30 років у діапазоні наших детекторів вибухає наднова. І якщо ми пропустимо це, доведеться чекати ще кілька десятків років», — стверджує Учіда.
Нейтрино крізь Японію
В Японії не тільки ловлять нейтрино, а й запускають їх на інший кінець країни. Вчені з Токаю в 295 кілометрах від Супер-К запускають пучки нейтрино, щоб їх прийняли у золотій камері. Вивчення змін нейтрино, що проходять крізь речовину, може розповісти нам більше про походження Всесвіту.
У квітні 2020 року Супер-Каміоканде з’явився на обкладинці журналу Nature після наукового прориву з використанням детектора, який наблизив дослідників до розуміння взаємозв’язку між речовиною і антиматерією.
«Наші моделі великого вибуху передбачають, що матерія й антиматерія повинні були бути створені в рівних частках, — говорить доктор Морган Васко з Імперського коледжу, — але до нашого часу велика частина антиречовини так чи інакше зникла».
Дослідники в Супер-Каміоканде випускали пучки нейтрино та антинейтрино для вивчення їхніх коливань. За словами вчених з Імперського коледжу, ці дослідження надають найпереконливіші докази того, що речовина і антиречовина поводяться по-різному. Це пояснює те, що вони не взаємнознищилися під час появи Всесвіту.
«Ці дані наближають нас до відповіді на фундаментальне питання про існування матерії у нашому всесвіті. Якщо вони підтвердяться, у чому ми зараз впевнені на 95%, це буде мати серйозні наслідки для фізики і має вказати шлях до розуміння розвитку нашого всесвіту», — говорить доктор Патрік Данн з Імперського коледжу.
Як Супер-К ловить нейтрино
Об’єкт Супер-Каміоканде досягає розмірів 15-поверхової будівлі. Величезний резервуар заповнений 50 тисячами тонн надчистої води — при проході крізь воду нейтрино рухається швидше за світло.
«Якщо літак рухається дуже швидко, швидше, ніж швидкість звуку, то він буде видавати звук — велику ударну хвилю. Точно так же частка, що проходить через воду, якщо вона рухається швидше за світло, викликає ударну світлову хвилю», — говорить доктор Учіда.
Камера облицьована 11 000 лампочок золотистого кольору. Це неймовірно чутливі детектори світла Photo Multiplier Tubes (PMT), які можуть уловлювати ударні світлові хвилі.
Доктор Васко описує їх як «інверсію світла». Простіше кажучи, вони можуть виявити навіть незначну кількість світла і перетворити його на електричний струм, який потім можна спостерігати.
Надчиста вода
Щоб світло від цих ударних хвиль досягало датчиків, вода повинна бути чистішою, ніж ви можете собі уявити. Супер-К постійно фільтрує і повторно очищає воду ультрафіолетом для знищення всіх можливих бактерій. За словами вчених, така вода набуває властивостей кислоти або лугу — у зануреної в неї людини почне лущитися шкіра. А для заміни та ремонту датчиків вченим доводиться використовувати гумові човни.
Доктор Метью Малек з Університету Шеффілда і двоє інших займалися технічним обслуговуванням датчиків під час аспірантури. Після того, як Малекові довелося торкнутися води шкірою голови, він відчув страшний зуд, по відчуттях сильніший за дитячу вітрянку — вода змила всі поживні речовини зі шкіри.
Ще одна історія від доктора Васко стосується гайкового ключа, знайденого в 2000 році на дні резервуара. Точніше, контуру від нього. Мабуть, в 1995 році, при заповненні басейну, хтось забув на дні інструмент, і за п’ять років він повністю розчинився.
Супер-К 2.0
Можливості Супер-Каміоканде не безмежні, і незабаром в Японії планують побудувати більш грандіозний нейтринний детектор під назвою Гіпер-Каміоканде. Його спорудження можуть почати в 2026 році.
Гіпер-К буде в 20 разів могутнішим за Супер-К, його оснастять близько 99 тисячами світлових детекторів проти 11 000 у Супер-К.
Фото: Лабораторія Каміока Університету Токіо
