Skriven na dubini od 1 km ispod planine Ikeno, u rudniku cinka Kamioka, 290 km sjeverno od Tokija (Japan), postoji mjesto o kojem bi bilo koji supermoć iz bilo kojeg filma ili priče o superheroju sanjao kao svoje jazbine. Ovdje je "Super-Kamiokande" (ili "Super-K") - neutrinski detektor. Neutrini su subatomske temeljne čestice koje vrlo slabo komuniciraju s običnom materijom. Oni su u stanju prodrijeti u apsolutno sve i svugdje. Promatranje ovih osnovnih čestica pomaže znanstvenicima da pronađu kolabirajuće zvijezde i nauče nove informacije o našem svemiru. Business Insider razgovarao je s trojicom zaposlenika stanice Super-Kamiokande i otkrio kako ovdje sve funkcionira i koji eksperimenti ovdje provode znanstvenici.
Poniranje u subatomski svijet
Neutrine je vrlo teško otkriti. Toliko teško da ih je poznati američki astrofizičar i popularizator znanosti Neil DeGrasse Tyson svojedobno nazvao "najduhovitijim plijenom u svemiru".
„Materija ne predstavlja prepreku za neutrine. Te subatomske čestice su sposobne proći kroz stotine svjetlosnih godina metala, pa čak i usporiti “, rekao je Degrass Tyson.
Ali zašto ih znanstvenici čak pokušavaju uhvatiti?
"Kad se dogodi eksplozija supernove, zvijezda se sruši u sebe i pretvori u crnu rupu. Ako se ovaj događaj dogodi u našoj galaksiji, tada će neutrino detektori poput istog "Super-K" moći uhvatiti neutrine koje se emitiraju kao dio ovog procesa. U svijetu je vrlo malo takvih detektora ", objašnjava Yoshi Uchida s Imperial College London.
Prije nego što se zvijezda sruši, ona izbacuje neutrine u sve smjerove u svemiru, a laboratoriji poput Super-Kamiokande služe kao sustavi ranog upozoravanja koji znanstvenicima govore u kojem smjeru trebaju pogledati posljednje trenutke života zvijezde.
Promotivni video:
„Pojednostavljeni izračuni kažu da se događaji eksplozije supernove u radijusu u kojima ih naši detektori mogu otkriti događaju samo jednom u 30 godina. Drugim riječima, ako propustite jedan, na sljedeći događaj morat ćete prosječno čekati nekoliko desetljeća , kaže Uchida.
Super-K neutrino detektor ne uzima samo neutrine koji su ga pogodili izravno iz svemira. Pored toga, neutrinovi se na njega prenose iz eksperimentalnog pogona T2K koji se nalazi u gradu Tokai, na suprotnom dijelu Japana. Poslana neutrino greda mora prijeći oko 295 kilometara, nakon čega ulazi u detektor Super-Kamiokande smješten u zapadnom dijelu zemlje.
Promatranje kako se neutrini mijenjaju (ili osciliraju) dok putuju kroz materiju mogu znanstvenicima reći više o prirodi svemira, poput odnosa materije i antimaterije.
"Naši modeli Velikog praska sugeriraju da se tvar i antimaterija moraju stvoriti u jednakim omjerima", rekla je Morgan Vasco s Imperial College London u Business Insideru.
"Međutim, glavni dio antimaterije, iz nekog ili drugog razloga, je nestao. Mnogo je običnija stvar od antimaterije."
Znanstvenici smatraju da je proučavanje neutrina možda jedan od načina na koji će se konačno naći odgovor na ovu zagonetku.
Kako Super Kamiokande hvata neutrine
Smješten na 1.000 metara pod zemljom, Super Kamiokande je nešto takvo, veličine zgrade od 15 spratova.
Shema Super-Kamiokande neutrino detektora.
Ogroman spremnik od nehrđajućeg čelika u obliku cilindra napunjen je 50 tisuća tona posebno pročišćene vode. Prolazeći kroz ovu vodu neutrino se kreće brzinom svjetlosti.
"Neutrini koji ulaze u rezervoar proizvode svjetlost u obrascu sličnom načinu na koji je Concorde probio zvučnu barijeru", kaže Uchida.
"Ako se avion kreće vrlo brzo i probije zvučnu barijeru, iza njega se stvara vrlo moćan udarni val. Slično tome, neutrini koji prolaze kroz vodu i kreću se brže od brzine svjetlosti stvara svjetlosni udarni val ", objašnjava znanstvenik.
Na zidove, strop i dno spremnika ugrađeno je nešto više od 11.000 posebnih pozlaćenih "žarulja". Nazivaju se fotomultiplikatori i vrlo su osjetljivi na svjetlost. Oni hvataju ove svjetlosne udarne valove koje su stvorili neutrini.
Fotomultiplikatori izgledaju ovako.
Morgan Vasco opisuje ih kao "žarulje sa zadnjim svjetlom". Ti su uređaji toliko preosjetljivi da čak i uz pomoć jednog kvantnog svjetla mogu generirati električni impuls, koji se potom obrađuje posebnim elektroničkim sustavom.
Ne pijte vodu, postat ćete dijete
Da bi svjetlost iz udarnih valova koje generiraju neutrini stigla do senzora, voda u spremniku mora biti kristalno čista. Tako čist da ne možete ni zamisliti. Kod Super-Kamiokanda prolazi kroz stalan proces posebnog čišćenja na više razina. Znanstvenici ga čak i ozračuju ultraljubičastom svjetlošću kako bi ubili sve moguće bakterije u njemu. Kao rezultat toga, ona postaje takva da već uzima užas.
„Ultra pročišćena voda može sve otopiti. Ultra pročišćena voda je ovdje vrlo, vrlo neugodna stvar. Ima svojstva kiseline i lužine , kaže Uchida.
"Čak i kap vode može vam stvoriti toliko problema da niste ni sanjali", dodaje Vasco.
Ljudi plove brodom unutar akumulacije Super-Kamiokande.
Ako je nužno provesti održavanje unutar spremnika, na primjer, zamjena neispravnih senzora, istraživači moraju koristiti gumenu plovilo (na slici gore).
Kad je Matthew Malek bio diplomski student na Sheffieldskom sveučilištu, on i još dvojica studenata imali su sreću poduzeti sličan posao. Pred kraj radnog dana, kada je došlo vrijeme da se popnemo gore, pokvarila se posebno dizajnirana gondola za spuštanje. Fizičari nisu imali drugog izbora nego da se vrate u čamce i čekaju da se popravi.
„Nisam odmah shvatio kad sam legao na leđa u ovom čamcu i razgovarao s drugima kako se maleni dio moje kose, doslovno dulji od tri centimetra, dotaknuo ove vode“, kaže Malek.
Dok su plutali unutar Super-Kamiokande, a znanstvenici gore popravljali gondolu, Malek nije bio zabrinut ni zbog čega. Sljedećeg jutra postao je zabrinut shvativši da se dogodilo nešto strašno.
„Probudio sam se u 3 sata ujutro iz nepodnošljivog svrbeža na glavi. To je vjerojatno najgori svrab koji sam ikad doživio u životu. Još gore od kozice, koju sam imao kao dijete. Bilo je toliko strašno da jednostavno više nisam mogao zaspati “, nastavio je znanstvenik.
Malek je shvatio da je kap vode koja je pogodila vrh njegove kose „isušila“sve hranjive tvari iz njih i da je nedostatak dospio do njegove lubanje. Užurio se pod tuš i proveo više od pola sata tamo, pokušavajući vratiti kosu.
Još jednu priču ispričao je Vasco. Čuo je da je 2000. godine, tijekom održavanja, osoblje ispustilo vodu iz spremnika i pronašlo obris ključa na dnu.
"Navodno je jedan ključ slučajno ostavio jedan od zaposlenika kada su 1995. napunili spremnik vodom. Ispušivši vodu 2000. godine, ustanovili su da se ključ otopio."
Super-Kamiokande 2.0
Unatoč činjenici da je Super-Kamiokande već vrlo velik neutrino detektor, znanstvenici su predložili stvaranje još veće instalacije koja se zove Hyper-Kamiokande.
"Ako dobijemo odobrenje za izgradnju Hyper-Kamiokande, tada će detektor biti spreman za rad oko 2026. godine", kaže Vasco.
Prema predloženom konceptu, detektor Hyper-Kamiokande bit će 20 puta veći od Super-Kamiokande. Planirano je koristiti oko 99.000 fotomultipliatora.
Nikolaj Khizhnyak