Fotosenzory Super Kamiokande detekují neutrina jako záblesky světla. Kredit: Asahi Shimbun/Getty
Sedm tisíc obřích oranžových očí čelí několika šťastlivcům, kteří vstoupili do podzemní neutrinové observatoře Super-Kamiokande v Japonsku – zdaleka největšího neutrinového detektoru svého druhu na světě. Šance spatřit tyto světelné senzory je vzácná, protože jsou obvykle ponořeny v 50 000 tunách vyčištěné vody. Ale rozsáhlá rekonstrukce Super-K, která byla dokončena v lednu, nabídla vzácnou příležitost nahlédnout do této velkolepé katedrály vědy.
Poprvé po více než deseti letech, od června do ledna, byla z detektoru v rámci rekonstrukce za 1,1 miliardy jüanů (10 milionů USD) vypuštěna voda. Modernizace mimo jiné umožní detektoru Super-K pátrat po neutrinech emitovaných vzdálenými supernovami, tedy explozemi, k nimž dochází, když se stárnoucí hvězda zhroutí pod vlastní vahou. Astronomové chtějí tato data získat, aby lépe porozuměli historii supernov ve vesmíru – ale neutrina, která vysílají, je obtížné detekovat.
„Každé 2-3 sekundy vybuchne někde ve vesmíru supernova, která vyprodukuje 1058 neutrin,“ říká Masayuki Nakahata, který vede Super-K, mezinárodní spolupráci vedenou Japonskem a Spojenými státy. Po modernizaci by měl být detektor schopen spočítat několik těchto „reliktních“ neutrin každý měsíc, říká Nakahata, který je fyzikem na Tokijské univerzitě.
Detektor Super-K se nachází 1000 metrů pod horou poblíž města Hida ve středním Japonsku. Uvnitř zachycují molekuly vody neutrina, která proudí zemí ze Slunce a atmosféry nebo jsou sem vysílána z urychlovače částic vzdáleného stovky kilometrů. Ještě letos observatoř přidá do vody kov vzácných zemin gadolinium. Díky tomu bude detektor mnohem lépe rozlišovat různé typy neboli „příchutě“ neutrin a také jejich antičástice, antineutrina.
V roce 1987 detektor Kamiokande, menší předchůdce Super-K, zachytil první neutrina ze supernovy. Tucet neutrin pocházel ze supernovy 1987A, k níž došlo ve Velkém Magellanově mračnu, malé galaxii, která obíhá kolem Mléčné dráhy. Hlavní experimentátor Masatoshi Koshiba si za tento objev v roce 2002 částečně rozdělil Nobelovu cenu za fyziku. Od té doby se však žádné neutrino se supernovou nespojilo.
Fyzik Masayuki Nakahata uvnitř detektoru Super-K. Kredit: Noah Baker/Nature
Většina slunečních neutrin se projeví tak, že vysokou rychlostí srazí elektron z molekuly vody, čímž vznikne slabý světelný záblesk (který vidí „oči“ detektoru Super-K). Jiná neutrina – a zejména antineutrina, která tvoří většinu emisí supernov – však interagují s protonem v atomovém jádře místo s elektronem. Při této srážce se uvolní neutron a pozitron, antihmotná verze elektronu. Signál pozitronu je pro detektor obtížné odlišit od signálu elektronu ze slunečního neutrina. Neutron však po zachycení jiným jádrem vytvoří svůj vlastní podpis – záření γ.
Nová síla
Jádra gadolinia jsou při zachycování takových zbloudilých neutronů mnohem účinnější než jádra vodíku nebo kyslíku ve vodě a záření γ, které produkují, je pro Super-K snazší detekovat jako další světelný záblesk. Při dopadu antineutrina tak Super-K neuvidí jeden záblesk, ale hned dva, a to s odstupem několika mikrosekund.
John Beacom, teoretický astrofyzik na Ohio State University v Columbusu, a Mark Vagins, experimentátor Super-K, který nyní pracuje v Kavliho institutu pro fyziku a matematiku vesmíru v japonské Kašivě, přišli s nápadem přidat gadolinium do Super-K na počátku roku 20001. Gadolinium se používalo v menších neutrinových experimentech, ale nikdy ne ve vodním detektoru.
„Když jsme začali, každý, s kým jsme mluvili, nám dal seznam deseti důvodů, proč to není možné,“ říká Beacom. Vagins říká, že největší výzvou bylo, zda lze vodu v detektoru průběžně filtrovat, aby se odstranily nečistoty, aniž by se zároveň odstranilo gadolinium. Vedl desetileté úsilí, aby prokázal, že tato myšlenka může fungovat, což zahrnovalo stavbu detektoru neutrin za 6 milionů dolarů, vtipně nazvaného Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Klíčovou součástí tohoto úsilí bylo vynalezení nového typu vodního systému.
Do roku 2015 se Beacomu a Vaginsovi podařilo přesvědčit spolupráci, aby gadolinium zahrnula do další modernizace. Tato část modernizace se neoficiálně nazývá Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), včetně vykřičníku. (Stejně jako Egads, Gadzooks se často používá v superhrdinských komiksech pro označení překvapení.)
Super-K už byl nesmírně úspěšný. V roce 1998, dva roky po zahájení provozu, poskytl detektor první přesvědčivý důkaz, že neutrina a antineutrina mohou „oscilovat“ neboli kolovat mezi třemi příchutěmi. Tento objev donutil teoretiky změnit standardní model částicové fyziky – vysvětlení částic a sil vesmíru – a vyvolal řadu nových otázek. (Takaaki Kajita, který je Nakahatovým kolegou a bývalým vedoucím projektu Super-K, se v roce 2015 podělil o Nobelovu cenu za fyziku za objev oscilace neutrin.)
„Super-K měl na částicovou fyziku stejný, ne-li větší vliv než LHC, urychlovač v CERNu, který objevil Higgsův boson,“ říká Janet Conradová, neutrinová fyzička z Massachusettského technologického institutu v Cambridgi.
„Jsem nadšená, že Super-K nyní začíná s dopováním gadoliniem. Myslím, že fyzika je velmi vzrušující,“ říká Conradová. „Jsem také rád za své přátele Marka Vaginse a Johna Beacoma. Mnoho lidí říkalo, že to z mnoha důvodů nejde.“
Hyper-K
I když Super-K začíná nanovo, japonští fyzici usilují o ještě většího sourozence s názvem Hyper-Kamiokande. Projekt v hodnotě 55 miliard jüanů podpořila Tokijská univerzita a vědci nyní čekají, zda jej bude financovat státní vláda. Rozhodnutí se očekává v srpnu.
„Naším cílem je zahájit stavbu Hyper-K do dvou let a poté zahájit provoz zhruba v roce 2027,“ říká vedoucí projektu Masato Šiozawa, fyzik z univerzity a dlouholetý člen spolupráce na projektu Super-K.
Nádrž Hyper-K by měla pojmout 260 000 tun vody, což je více než pětkrát více než nádrž Super-K.
„Nádrž Hyper-K by měla pojmout 260 000 tun vody. Díky své velikosti by byl mnohem efektivnější při detekci supernov, ale měl by také pomoci při zkoumání další kosmické záhady: proč se zdá, že vesmír je tvořen převážně hmotou a antihmoty je v něm málo.
Klíčovým krokem k pochopení tohoto rozdílu je podle teoretiků měření asymetrie mezi neutriny a antineutriny, konkrétně rozdíl v rychlosti, s jakou antineutrina procházejí svými třemi příchutěmi, oproti rychlosti neutrin. Super-K již zaznamenal silné náznaky takového rozdílu pomocí neutrin vystřelených skrz zemskou kůru z urychlovače částic, ale Hyper-K by byl schopen provést mnohem přesnější měření.