Под горой Икено в Японии на глубине в 1000 метров скрывается место, похожее на лабораторию суперзлодея. Это – детектор нейтрино Super-Kamiokande (или Super-K). Нейтрино представляют собой субатомные частицы, способные перемещаться не только в космическом вакууме, но и сквозь твёрдые тела как сквозь воздух.
Изучение этих частиц помогает учёным обнаруживать умирающие звёзды и углублять наши познания о Вселенной. Издание Business Insider взяло интервью у трёх учёных, которые рассказали, как устроена гигантская золотая камера и какие опасности сопровождают исследователей внутри неё.
Как увидеть субатомный мир
Обнаружить нейтрино крайне сложно. Настолько сложно, что известный астрофизик Нил деГрасс Тайсон назвал их «самой неуловимой добычей в космосе». Он поясняет, что детектирующая камера запрятана глубоко под землёй для того, чтобы исключить попадание в неё других частиц.
«Материя – не препятствие для нейтрино, – рассказывает Тайсон. – Нейтрино способны пройти сквозь слой стали толщиной в сто световых лет, даже не замедлившись».
Но зачем нужно их ловить?
«Если произошла вспышка сверхновой, то есть звёзды, чьё вещество коллапсирует само на себя, что приводит к образованию чёрной дыры, детектирущая камера – один из немногих способов обнаружить нейтрино, выпускаемые такой звездой», – объясняет доктор Йоши Учида (Dr Yoshi Uchida) из Имперского колледжа в Лондоне (Imperial College London).
Прежде чем звезда начинает коллапсировать, она выпускает потоки нейтрино. Таким образом, Super-K можно назвать своего рода системой раннего оповещения, информирующей о том, где искать эти потрясающие космические события.
«Примерные расчёты показывают, что в среднем вспышки сверхновых происходят раз в тридцать лет в пределах расстояний, на которых наше устройство способно зафиксировать их, – говорит доктор Учида. – Если пропустить такое событие, следующего придётся ждать несколько десятков лет».
Нейтрино пронизывают всю Японию
Детектор Super-K ловит не только нейтрино, прилетающие потоками глубин космоса. Прибор T2K, расположенный на востоке Японии, в городе Токаи, выстреливает зарядом нейтрино на расстояние в 295 км сквозь толщу Земли, на запад страны, где заряд принимает Super-K.
Изучение того, как нейтрино меняются («осциллируют») по мере прохождения сквозь материю, помогает учёным узнать больше об образовании Вселенной, в частности, понять связь материи и антиматерии.
«Согласно нынешней модели Большого взрыва, вещество и антивещество должны были появиться в равной пропорции, – говорит доктор Морган Васко (Dr Morgan Wascko) из Имперского колледжа. – Однако сегодня большая часть антиматерии так или иначе исчезла». Изучение нейтрино может пролить свет на эту загадку.
Как Super-K ловит нейтрино
Заглублённый на целый километр под землю детектор нейтрино Super-Kamiokande имеет размеры 15-этажного дома. Он представляет собой исполинскую цистерну, заполненную 50 000 тонн сверхчистой воды. Дело в том, что, проходя сквозь воду, нейтрино развивают скорость выше скорости света. Таким образом, при прохождении сквозь толщу воды частица нейтрино будет оставлять за собой световой след. Аналогией в большом мире является сверхзвуковой самолёт, оставляющий за собой звуковую волну, объясняет доктор Учида. «Если самолёт летит быстрее скорости звука, он будет производить большую ударную звуковую волну, на что не способен более медленный объект. Так же и частица нейтрино, проходя сквозь воду на скорости выше световой, будет производить ударную волну, только световую».
Детектирующая камера выложена изнутри 11 000 позолоченных шарообразных выпуклостей. Это сверхчувствительные детекторы света Photo Multiplier Tubes («Трубки фотоумножителей»), способные регистрировать световую ударную волну.
Доктор Васко называет такой детектор «лампочкой наоборот». В отличие от обычной лампочки, принцип действия этой состоит в том, что она «засекает» крохотные вспышки света и преобразует их в электрический ток, по которому и судят о прохождении нейтрино.
Устрашающе чистая вода
Чтобы свет от этих ударных волн достиг датчиков, вода должна быть исключительно чистой. В Super-K она постоянное фильтруется и проходит новую очистку, в том числе и ультрафиолетом, уничтожающим бактерии. Именно это и делает её жутковатой. «Сверхчистая вода способна растворять вещества, – поясняет доктор Учида. – Чистая вода – это очень опасная субстанция. По своим свойствам она похожа на кислоту и щёлочь».
«Если бы вы решили искупаться в этой воде, у вас бы началось отслоение кожных покровов», – уверяет доктор Васко.
Когда необходимо починить или заменить датчик, внутри Super-K учёные передвигаются в резиновой лодке. Доктор Мэтью Малек (Dr Matthew Malek) из Университета Шеффилда (University of Sheffield) занимался ремонтными работами из лодки ещё в свою бытность аспирантом. Он вспоминает случай, когда однажды он лежал в лодке, отдыхая, и его волосы касались воды. Сначала он не волновался, однако ночью проснулся от странного зуда на коже головы – чесалось так, что он не мог заснуть.
Он осознал, что сверхчистая вода вывела питательные вещества из его волос через их кончики, и кожа также начала их терять. Тогда он побежал в ванную и полчаса яростно обрабатывал волосы кондиционером.
У доктора Васко тоже есть интересная история. В 2000 году резервуар полностью осушили и на дне увидели контур гаечного ключа. Очевидно, кто-то оставил его там ещё в 1995 году, когда резервуар заполнили водой.
Пять лет спустя гаечный ключ полностью растворился.
Super-K 2.0
Super-Kamiokande – огромное сооружение, однако учёные выдвинули предложение построить ещё более крупный детектор под названием Hyper-Kamiokande (Hyper-K).
«Если проект Hyper-Kamiokande будет утверждён, его строительство начнётся около 2026 года», – объясняет доктор Васко.
Hyper-K будет иметь в 20 раз больший объём, чем Super-K. В нём будет 99 000 световых датчиков против 11 000 в Super-K.
Источник businessinsider.com
Перевод Dmitry Blackfield