Gigantisk japansk detektor forbereder sig på at fange neutrinoer fra supernovaer

Eleven tusinde gigantiske orange øjne konfronterer de heldige få, der er kommet ind i Super-Kamiokande underjordiske neutrinoobservatorium i Japan – langt den største neutrinodetektor af sin art i verden. Det er sjældent, at man får chancen for at se disse lyssensorer, fordi de normalt er nedsænket i 50.000 tons renset vand. Men en større renovering af Super-K, der blev afsluttet i januar, gav en sjælden chance for at kigge ind i denne videnskabens store katedral.

For første gang i mere end et årti blev vandet mellem juni og januar drænet fra detektoren som led i en renovering til 1,1 milliard ¥ (10 millioner USD). Opgraderingen vil bl.a. gøre det muligt for Super-K at gå på jagt efter neutrinos, der udsendes af fjerntliggende supernovaer, eksplosioner, der opstår, når en aldrende stjerne kollapser under sin egen vægt. Astronomer ønsker disse data for bedre at kunne forstå supernovaernes historie i universet – men de neutrinoer, de udsender, har været vanskelige at opdage.

“Hvert 2-3 sekund eksploderer en supernova et sted i universet, og den producerer 1058 neutrinoer”, siger Masayuki Nakahata, der leder Super-K, som er et internationalt samarbejde, der ledes af Japan og USA. Med opgraderingen skulle detektoren være i stand til at tælle nogle få af disse “relikke”-neutrinoer hver måned, siger Nakahata, der er fysiker ved University of Tokyo.

Super-K ligger 1.000 meter under et bjerg nær Hida i det centrale Japan. Indeni fanger vandmolekyler neutrinos, der strømmer gennem jorden fra solen og atmosfæren, eller som bliver sendt ind fra en partikelaccelerator hundredvis af kilometer væk. Senere i år vil observatoriet tilsætte det sjældne jordartsmetal gadolinium til vandet. Det vil gøre detektoren meget bedre til at skelne mellem forskellige typer eller “smagsvarianter” af neutrinoer samt deres antipartikler, antineutrinoer.

I 1987 detekterede Kamiokande-detektoren, Super-K’s mindre forgænger, de første neutrinoer fra en supernova. Det dusin neutrinoer kom fra Supernova 1987A, som opstod i den store Magellanske Sky, en lille galakse, der kredser om Mælkevejen. Lederen af eksperimentet, Masatoshi Koshiba, modtog i 2002 Nobelprisen i fysik bl.a. for denne opdagelse. Men ingen neutrinoer er siden da blevet knyttet til en supernova.

De fleste solneutrinoer afslører sig selv ved at slå en elektron af et vandmolekyle med høj hastighed og derved producere et svagt lysglimt (hvilket er det, Super-K’s ‘øjne’ ser). Men andre neutrinoer – og især de antineutrinoer, der udgør hovedparten af supernovaernes emissioner – vekselvirker med en proton i en atomkerne i stedet for med en elektron. Dette sammenstød frigør en neutron og en positron, elektronens antimaterieudgave. Positronens signal er vanskeligt for detektoren at skelne fra signalet fra en elektron fra en solneutrino. Men neutronen producerer sin egen signatur – en γ-stråle – når den indfanges af en anden kerne.

Ny kraft

Gadoliniumkerner er meget mere effektive end vands brint- eller iltkerner til at indfange sådanne omstrejfende neutroner, og de γ-stråler, de producerer, er lettere for Super-K at opdage, som et andet lysglimt. Når en antineutrino rammer, vil Super-K således ikke se ét, men to lysglimt med få mikrosekunders mellemrum.

John Beacom, teoretisk astrofysiker ved Ohio State University i Columbus, og Mark Vagins, Super-K-eksperimentalist, der nu arbejder ved Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe i Kashiwa i Japan, fik ideen om at tilføje gadolinium til Super-K i begyndelsen af 2000’erne1. Gadolinium var blevet brugt i mindre neutrinoeksperimenter, men aldrig i en vanddetektor.

“Da vi startede, gav alle, vi talte med, os en liste med ti grunde til, at det ville være umuligt”, siger Beacom. Den største udfordring, siger Vagins, var, om detektorens vand kunne filtreres kontinuerligt for at fjerne urenheder uden samtidig at fjerne gadoliniumet. Han stod i spidsen for en tiårig indsats for at demonstrere, at ideen kunne fungere, hvilket involverede bygning af en neutrino-detektor til 6 mio. dollars, der humoristisk blev kaldt Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). En afgørende del af denne indsats krævede, at man opfandt en ny type vandsystem.

I 2015 havde Beacom og Vagins overtalt samarbejdet til at inkludere gadolinium i den næste opgradering. Den del af fornyelsen er uofficielt kendt som Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), udråbstegn inkluderet. (Ligesom Egads bruges Gadzooks ofte i superhelte-tegneserier til at betegne overraskelse.)

Super-K har allerede været en enorm succes. I 1998, to år efter at detektoren blev sat i drift, gav den det første solide bevis for, at neutrinoer og antineutrinoer kan “oscillere”, eller cykliske, mellem tre smagsvarianter. Opdagelsen tvang teoretikerne til at ændre standardmodellen for partikelfysik – forklaringen på universets partikler og kræfter – og rejste en lang række nye spørgsmål. (Takaaki Kajita, som er Nakahatas kollega og tidligere leder af Super-K, delte i 2015 Nobelprisen i fysik for sin opdagelse af neutrinooscillation.)

“Super-K har haft lige så stor indflydelse på partikelfysikken, hvis ikke større, end LHC, collideren på CERN, der opdagede Higgs-bosonen,” siger Janet Conrad, der er neutrino-fysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge.

“Jeg er begejstret for, at Super-K nu starter op med gadolinium-doping. Jeg synes, at fysikken er meget spændende,” siger Conrad. “Jeg er også glad på mine venners vegne, Mark Vagins og John Beacom. Der var mange mennesker, der sagde, at det ikke kunne lade sig gøre af mange grunde.”

Hyper-K

Selv mens Super-K starter på en frisk, arbejder japanske fysikere på en endnu større søskende kaldet Hyper-Kamiokande. Universitetet i Tokyo har kastet sin vægt bag projektet til 55 mia. yen, og forskerne venter nu på at høre, om den nationale regering vil finansiere det. En beslutning forventes at blive truffet i august.

“Vi sigter mod at påbegynde Hyper-K-konstruktionen om to år og derefter starte driften i 2027 eller deromkring”, siger projektleder Masato Shiozawa, fysiker ved universitetet og mangeårigt medlem af Super-K-samarbejdet.

Hyper-K’s tank vil kunne rumme 260.000 tons vand, hvilket er mere end fem gange så meget som Super-K’s tank. Dens størrelse vil gøre den meget mere effektiv til at opdage supernovaer, men den skulle også hjælpe den til at undersøge et andet kosmisk mysterium: hvorfor universet tilsyneladende primært består af stof og kun lidt antimaterie.

Et afgørende skridt i retning af at forstå denne forskel er ifølge teoretikerne at måle en asymmetri mellem neutrinoer og antineutrinoer, nærmere bestemt en forskel i den hastighed, hvormed antineutrinoer gennemløber deres tre smagsvarianter, i forhold til neutrinoernes. Super-K har allerede set stærke antydninger af en sådan forskel ved hjælp af neutrinos, der er skudt gennem jordskorpen fra en partikelaccelerator, men Hyper-K vil kunne foretage meget mere præcise målinger.