Az Ikeno-hegy alatt, 1 km mélyen, a Tokio-tól (Japán) 290 km-re északra fekvő Kamioka cinkbányában olyan hely található, amelyről bármelyik film vagy szuperhős történet szupervillanyja álmodozna. Itt található a "Super-Kamiokande" (vagy a "Super-K") - egy neutrinodetektor. A neutrinók olyan szubatómiai alapvető részecskék, amelyek nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba a rendes anyaggal. Képesek abszolút mindent átjutni, bárhol. Ezen alapvető részecskék megfigyelése segít a tudósoknak összeomló csillagok megtalálásában és új információk megismerésében univerzumunkról. A Business Insider beszélt a Super-Kamiokande állomás három alkalmazottjával és megtudta, hogyan működik itt minden, és milyen kísérleteket végeznek itt a tudósok.
Bemerül egy szubatómiai világba
A neutrinokat nagyon nehéz felismerni. Annyira nehéz, hogy Neil DeGrasse Tyson, a híres amerikai asztrofizikus és a tudomány népszerűsítője egyszer "az űrben a legmegfoghatatlanabb áldozatának" nevezte őket.
„Az anyag nem jelent akadályt a neutrinók számára. Ezek a szubatomom részecskék képesek áthatolni több száz fényév fémön, és még csak nem is lelassulnak”- mondta Degrass Tyson.
De miért próbálják még a tudósok elkapni őket?
„Amikor szupernóva robbanás következik be, a csillag önmagában összeomlik és fekete lyukká alakul. Ha ez az esemény a galaxisunkban fordul elő, akkor a neutrinodetektorok, mint például ugyanaz a "Super-K" képesek felfogni a folyamat során kibocsátott neutrinokat. Nagyon kevés ilyen detektor van a világon”- magyarázza Yoshi Uchida a londoni Imperial College-ból.
Mielőtt a csillag összeomlik, a neutrínókat az űr minden irányába eldobja, és olyan laboratóriumok, mint a Super-Kamiokande, korai figyelmeztető rendszerekként szolgálnak, amelyek megmondják a tudósoknak, hogy melyik irányba kell nézni, hogy megnézhessék a csillagok életének legutóbbi pillanatait.
Promóciós videó:
„Az egyszerűsített számítások szerint a szupernóva robbanás olyan sugara, amelyben detektorunk észlelheti őket, csak 30 évente fordul elő. Más szavakkal, ha hiányzik, akkor átlagosan évtizedekig kell várniuk a következő esemény előtt,”mondja Uchida.
A Super-K neutrinodetektor nem csak azt a neutrínót veszi fel, amely közvetlenül az űrből eltalálja. Ezenkívül a japán ellenkező részén, Tokai városában található T2K kísérleti létesítményből neutrinókat továbbítanak rá. A küldött neutrino sugárnak körülbelül 295 kilométert kell megtennie, majd az ország nyugati részén található Super-Kamiokande detektorba kerül.
Ha megfigyeljük, hogyan változnak (vagy oszcillálnak) a neutrinók az anyagon keresztül, az tudósok többet tudhatnak meg a világegyetem természetéről, például az anyag és az antianyag kapcsolatáról.
„A Big Bang modelljei azt sugallják, hogy az anyagot és az antiasztikát egyenlő arányban kell létrehozni” - mondta Morgan Vasco, a Londoni Imperial College munkatársa a Business Insider-nek.
„Az antianyag fő része azonban valamilyen okból eltűnt. Sokkal több közönséges anyag van, mint az antianyag."
A tudósok úgy vélik, hogy a neutrínók tanulmányozása lehet az egyik módja annak, ahogyan végül megtalálják a választ e rejtvényre.
Hogyan fogja el a Super Kamiokande a neutrinokat?
Az 1000 méter alatt található Super Kamiokande valami ilyen, egy 15 emeletes épület mérete.
A Super-Kamiokande neutrinodetektor vázlata.
Egy hatalmas henger alakú rozsdamentes acél tartályt 50 ezer tonna speciálisan tisztított víz tölt meg. Ha ezen a vízen átjut, a neutrínó a fény sebességével mozog.
"A rezervoárba belépő neutrinók fényt hoznak létre olyan mintázattal, mint ahogy a Concorde eltörte a hanggátat" - mondja Uchida.
„Ha a sík nagyon gyorsan mozog és megtöri a hanggátat, akkor mögötte egy nagyon erős ütési hullám jön létre. Hasonlóképpen, a vízen áthaladó és a fénysebességnél gyorsabban mozgó neutrinók könnyű sokkhullámot hoznak létre”- magyarázza a tudós.
Alig több mint 11 000 speciális aranyozott "izzó" van telepítve a tartály falára, mennyezetére és aljára. Fényszorzóinak nevezik őket, és nagyon fényérzékenyek. Ők fogják el ezeket a neutrinók által létrehozott könnyű sokkhullámokat.
A fényelektromos szorzók így néznek ki.
Morgan Vasco ezeket „hátsó izzóknak” nevezi. Ezek az eszközök annyira túlérzékenyek, hogy még egy fénykvantum segítségével képesek elektromos impulzust generálni, amelyet egy speciális elektronikus rendszer dolgoz fel.
Ne igyál vizet, gyerek leszel
Ahhoz, hogy a neutrínók által generált sokkhullámokból érkező fény eljuthasson az érzékelőkhöz, a tartályban lévő víznek kristálytisztanak kell lennie. Olyan tiszta, hogy el sem tudod képzelni. A Super-Kamiokanda-nál folyamatosan megy keresztül a többszintű tisztítás. A tudósok ultraibolya fénnyel is besugárzzák, hogy megöljék az összes lehetséges baktériumot. Ennek eredményeként olyanvá válik, hogy már rémültséggel jár.
„Az ultratisztított víz bármit feloldhat. Az ultratisztított víz itt nagyon-nagyon kellemetlen dolog. Savas és lúgos tulajdonságai vannak”- mondja Uchida.
"Még egy csepp víz is annyira bajt okozhat, hogy még soha nem álmodtál" - tette hozzá Vasco.
Az emberek a Super-Kamiokande rezervoár belsejében hajóznak.
Ha a tartály belsejében karbantartást kell végezni, például a meghibásodott érzékelők cseréjéhez, a kutatóknak gumihajót kell használniuk (a fenti képen).
Amikor Matthew Malek végzős hallgató volt a Sheffield Egyetemen, ő és két másik hallgató "szerencsések" voltak ahhoz, hogy hasonló munkát végezzenek. A munkanap végére, amikor ideje volt felmenni az emeletre, egy speciálisan kialakított legördülő gondola lerobbant. A fizikusoknak nem volt más választása, mint visszatérni a hajókhoz, és megvárni, amíg megjavítják.
"Nem azonnal értettem, mikor ebben a csónakban hátul feküdtem és másokkal beszéltem, hogy a hajam egy apró része, szó szerint legfeljebb három centiméter hosszú, megérintette ezt a vizet" - mondja Malek.
Mivel a Super-Kamiokande belsejében úsztak, és a tudósok az emeleten kijavították a gondolatot, Malek semmit sem aggódott. Másnap reggel korán aggódott, amikor rájött, hogy valami szörnyű történt.
3 órakor felébredtem a fejem elviselhetetlen viszketéséből. Valószínűleg ez volt a legrosszabb viszketés, amit valaha tapasztaltam életemben. Rosszabb, mint a bárányhimlő, amely gyermekkoromban volt. Olyan szörnyű volt, hogy egyszerűen nem tudtam aludni - folytatta a tudós.
Malek rájött, hogy egy csepp víz, amely a hajának hegyére esett, "kiszívta" az összes tápanyagot tőlük, és hiányuk elérte a koponyáját. Sietve zuhanyozni kezdett, és több mint fél órát töltött ott, és megpróbálta visszahozni a haját.
Egy másik történetet Vasco mesélt el. Hallotta, hogy 2000-ben a karbantartás során az alkalmazottak vizet öblítettek el a tartályból, és az alján találták a csavarkulcs körvonalait.
„Nyilvánvalóan, hogy ezt a kulcsot véletlenül az egyik alkalmazott hagyta, amikor 1995-ben megtöltötték a tartályt vízzel. Miután 2000-ben vizet öblítettek, úgy találták, hogy a kulcs feloldódott."
Super-Kamiokande 2.0
Annak ellenére, hogy a "Super-Kamiokande" már nagyon nagy neutrinodetektor, a tudósok javaslatot tettek egy még nagyobb, "Hyper-Kamiokande" nevű telepítés létrehozására.
"Ha jóváhagyást kapunk a Hyper-Kamiokande építéséhez, akkor az érzékelő 2026 körül készen áll az üzemre" - mondja Vasco.
A javasolt koncepció szerint a Hyper-Kamiokande detektor 20-szor nagyobb lesz, mint a Super-Kamiokande. A tervek szerint mintegy 99 000 fényszorítót használnak.
Nikolay Khizhnyak