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

Автор soner30, 28-06-2018, 21:07:46

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Вниз

soner30

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. Здесь расположен «Супер-Камиоканде» (или «Супер-К») -- нейтринный детектор. Нейтрино представляют собой субатомные фундаментальные частицы, очень слабо взаимодействующие с обычной материей. Они способны проникать абсолютно во все и везде. Наблюдение за этими фундаментальными частицами помогает ученым находить коллапсирующие звезды и узнавать новую информацию о нашей Вселенной. Издание Business Insider пообщалось с тремя сотрудниками станции «Супер-Камиоканде» и выяснило как здесь все работает и какие эксперименты здесь проводят ученые.

Погружаясь в субатомный мир
Нейтрино очень сложно обнаружить. Настолько сложно, что знаменитый американский астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон однажды назвал их «самой неуловимой добычей в космосе».
Цитировать«Материя не представляет для нейтрино никакой преграды. Эти субатомные частицы способны пройти через сотни световых лет металла и даже не замедлиться», -- сказал Деграсс Тайсон.
Но зачем ученые вообще пытаются их уловить?
Цитировать«Когда происходит вспышка сверхновой, звезда коллапсирует в себя и превращается в черную дыру. Если это событие происходит в нашей галактике, то детекторы нейтрино вроде того же «Супер-К» способны уловить выбрасываемые в рамках этого процесса нейтрино. 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.
Цитировать«Упрощенные расчеты говорят, что события взрыва сверхновой в радиусе, в котором наши детекторы могут их уловить, происходят лишь один раз в 30 лет. Другими словами, если вы пропустите одно, то придется ждать в среднем еще несколько десятилетий до следующего события», -- говорит Учида.
Детектор нейтрино «Супер-К» не просто улавливает нейтрино, попадающие на него прямо из космоса. Кроме этого, на него передается нейтрино с экспериментальной установки T2K, расположенной в городе Токай, что в противоположной части Японии. 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.
Цитировать«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.
Цитировать«Однако основная часть антиматерии по какой-то или по каким-то причинам исчезла. Обычной материи значительно больше чем антиматерии».
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»
Огромный резервуар из нержавеющей стали в форме цилиндра заполнен 50 тысячами тонн специально очищенной воды. Проходя через эту воду нейтрино двигается со скоростью света.
Цитировать«Нейтрино попадая в резервуар производят свет по схеме аналогичной тому, как «Конкорд» преодолевал звуковой барьер», -- говорит Учида.
Цитировать«Если самолет движется очень быстро и преодолевает звуковой барьер, то позади него создается очень мощная ударная звуковая волна. Аналогичным образом нейтрино проходя через воду и двигаясь быстрее скорости света создает световую ударную волну», -- объясняет ученый.
На стенах, потолке и дне резервуара установлено чуть более 11 000 специальных позолоченных «лампочек». Они называются фотоумножителями и являются очень светочувствительными. Они-то и улавливают эти световые ударные волны, создаваемые нейтрино.
Выглядят фотоумножители так
Морган Васко описывает их как «обратные лампочки». Эти приборы настолько сверхчувствительны, что даже с помощью одного кванта света способны генерировать электрический импульс, который затем обрабатывается специальной электронной системой.
Не пей водицу, козленочком станешь
Чтобы свет от ударных волн, создаваемых нейтрино достиг сенсоров вода в резервуаре должна быть кристально чистой. Настолько чистой, что вы даже не можете себе представить. В «Супер-Камиоканде» она проходит постоянный процесс специальной многоуровневой очистки. Ученые даже облучают ее ультрафиолетовым светом, чтобы убить в ней все возможные бактерии. В итоге она становится такой, что аж жуть берет.
Цитировать«Сверхочищенная вода может растворить все что угодно. Сверхочищенная вода здесь - очень и очень неприятная штука. Она обладает свойствами кислоты и щелочи», -- говорит Учида.
Цитировать«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).
Когда Мэтью Малек был аспирантом Шеффилдского университета ему и еще двум студентам «посчастливилось» провести подобную работу. К концу рабочего дня, когда пришло время подниматься наверх, специально предназначенная для этого опускаемая гондола сломалась. Физикам ничего не оставалось делать, как обратно вернуться в лодки и ждать, пока ее починят.
Цитировать«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.
Пока они плавали внутри «Супер-Камиоканде», а ученые наверху чинили гондолу, Малек ни о чем не беспокоился. Он забеспокоился рано утром на следующий день, осознав, что произошло нечто жуткое.
Цитировать«Я проснулся в 3 утра от невыносимого зуда на голове. Это был наверно самый жуткий зуд, который я когда-либо испытывал в своей жизни. Хуже, чем от ветрянки, которой я переболел в детстве. Он был настолько ужасен, что я просто не мог больше заснуть», -- продолжил ученый.
Малек понял, что капля воды, попавшая на кончик его волос, «высосала досуха» из них все нутриенты и их дефицит достиг его черепа. Он в спешке побежал в душ и провел там более получаса, пытаясь вернуть в состояние свои волосы.
Еще одну историю рассказал Васко. Он слышал, что в 2000-м году при проведении технического обслуживания персонал спустил из резервуара воду и обнаружил на дне очертания гаечного ключа.
Цитировать«Видимо этот ключ случайно оставил один из сотрудников, когда они заполняли резервуар водой в 1995 году. Спустив воду в 2000-м, они обнаружили, что ключ растворился».
«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».
Цитировать«Если получим одобрение на строительство «Гипер-Камиоканде», то детектор будет готов к работе приблизительно в 2026 году», -- говорит Васко.
Согласно предложенной концепции, детектор «Гипер-Камиоканде» будет в 20 раз больше «Супер-Камиоканде». В нем планируется использовать около 99 000 фотоумножителей.

Вверх