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

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».

«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?

«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.

«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.

«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.

«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.

«Нейтрино попадая в резервуар производят свет по схеме аналогичной тому, как «Конкорд» преодолевал звуковой барьер», — говорит Учида.

«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.

«Сверхочищенная вода может растворить все что угодно. Сверхочищенная вода здесь – очень и очень неприятная штука. Она обладает свойствами кислоты и щелочи», — говорит Учида.

«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.

«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.

«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.

«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».

«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.

24 комментария Оставить свой

  1. Deus ex machina

    "Проходя через эту воду нейтрино двигается со скоростью быстрее скорости света". Непонятно, что ускоряет нейтрино сверхчистая водичка или машинный перевод, но сенсация налицо)))

    • Elk

      Deus, Правильнее было бы: быстрее света, проходящего через эту же воду. Нейтрино не ускоряется в воде, это свет в ней замедляется.

  2. ilich2

    Меня ещё мучает вопрос. Как просто отчищенная h2o могла за 5 лет растворить нержавеющий ключ. И обезвожить волосы и ?. Вид но в воде есть или реагенты или Корнев соли или ещё что то но явно не чистая вода. С умножителем скорости света.

    • p1glet

      ilich2, Вода является универсальным растворителем, все биохимические процессы происходят благодаря градиентам концентрации, не удивительно, что абсолютно чистая H2O способна высосать все живое с человека...

      • Elk

        p1glet, Абсолютно чистая вода - это дистилированная вода.

  3. macss

    Опять вранье! Какой коллапс звезды? Откуда у
    обычной звезды нейтроны?
    Родиной нейтронов является нейтронная звезда
    диаметром в 10 км. Такие звезды находятся внутри ЧД.
    Основная функция такой звезды- разложение
    нейтронов на вещество и антивещество.

    • p1glet

      macss, Люди не отличающие нейтрино от нейтронов не имеют морального права писать комментарии относительно науки.

      • gralex

        p1glet, пацталом.
        Люди, пишущие "Откуда у обычной звезды нейтроны?", "Такие звезды находятся внутри ЧД" и "разложение нейтронов на вещество и антивещество" вообще не имеют права писать комментариев.

    • kiryasolod

      macss, Может быть вам попом попробовать? Наука - явно не ваше, уж простите

  4. Elk

    Интересно что это за сверхочищенная вода такая.

    • alvidov

      Elk, Российские ученые смогли получить столбик сверхочищенной воды, диаметром всего 2,5см. Результат поразил их. Оказалось, что сцепление молекул этой воды таково, что для разрыва этого столбика потребовалась сила в 900 кг- все ,что в гугле. А тут озеро из неё. Кто-то врет. Либо о разных вещах говорят . Вообще ,умение мутные люди ,и часто догадок и фантазий больше чем правды в таких статьях для лошков

    • alvidov

      Elk, Ученые

    • [email protected]

      Elk, Да, про воду бы подробностей надо. Пока больше на байку про привидения похоже)))

    • MASking

      Elk, чистый спирт

  5. morxod

    Точно, своей смертью непомрут.

  6. kirfoton

    Конечно, опасность этой воды преувеличена. Чем она опасней обычной дистиллированной воды двойной дистиляции ? Даже если и выпить её, она сразу же разбавиться содержимым желудка и перестанет быть дистиллированной :-)
    Интересно было бы знать угловое разрешение этого инструмента. Хотя бы точность +- 10 градусов даёт ?

  7. justromagod

    Я думаю что про суперчистую воду они что преувеличили в статье, и логически нужна не суперчистая вода а суперсжатая , тогда нейтрино точно выбьет фотоны

  8. botan

    Вообще-то там кислота и довольно опасная для человека... https://chem.libretexts.org/@api/deki/files/96675/eec51e5746bb3b13108029410ecf1f45.jpg?revision=1
    Можно посмотреть как её делают :-)

  9. botan

    Если проще то вся эта бочка из нержавеющей минусовая при прохождении нейтрино меняет полярность на мгновение - вот и всё....

  10. Dinosaur

    То есть гаечный ключ в воде растворился, а как же сам бак? Он же то же из нержавейки сделан ....

    • botan

      Dinosaur, В нержавеющей перевозят химию. Очень много сплавов...

      • botan

        botan, Вкратце при попадении кислоты на кожу отбирает кислород из клеток. Если держать такой раствор в таре даже алюминия (который легко поддаётся) то на это уйдёт куча времени......

  11. dastard13

    Гаечный ключ уронили, какая же она теперь суперочищенная?)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.