Super Kamiokanden valokuva-anturit havaitsevat neutriinot valon välähdyksinä. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Viisituhatta jättimäistä oranssia silmää kohtaa niitä onnekkaita, jotka ovat päässeet Japanissa sijaitsevaan maanalaiseen Super-Kamiokande-neutriinoobservatorioon, joka on maailman ylivoimaisesti suurin neutriinotunnistin. Mahdollisuus nähdä nämä valoanturit on harvinainen, koska ne ovat yleensä upotettuina 50 000 tonnin puhdistettuun veteen. Tammikuussa valmistunut Super-K:n peruskorjaus tarjosi kuitenkin harvinaisen tilaisuuden kurkistaa tämän tieteen suuren katedraalin sisälle.
Ensimmäistä kertaa yli vuosikymmeneen, kesäkuun ja tammikuun välisenä aikana, vesi tyhjennettiin ilmaisimesta osana 1,1 miljardin jenin (10 miljoonan Yhdysvaltain dollarin) suuruista peruskorjausta. Päivitys mahdollistaa muun muassa sen, että Super-K:n avulla voidaan metsästää neutriinoja, joita lähettävät kaukana sijaitsevat supernovat, räjähdykset, jotka tapahtuvat, kun vanheneva tähti romahtaa oman painonsa alla. Tähtitieteilijät haluavat näitä tietoja ymmärtääkseen paremmin supernovien historiaa maailmankaikkeudessa – mutta niiden lähettämiä neutriinoja on ollut vaikea havaita.
”2-3 sekunnin välein supernova räjähtää jossain päin maailmankaikkeutta, ja se tuottaa 1058 neutriinoa”, sanoo Masayuki Nakahata, joka johtaa Super-K:ta, Japanin ja Yhdysvaltojen johtamaa kansainvälistä yhteistyötä. Päivityksen myötä detektorin pitäisi pystyä laskemaan muutama tällainen ”jäänne”-neutriino joka kuukausi, sanoo Nakahata, joka on fyysikko Tokion yliopistossa.
Super-K sijaitsee tuhannen metrin syvyydessä vuoren alla lähellä Hidaa Keski-Japanissa. Sen sisällä vesimolekyylit pyydystävät neutriinoja, jotka virtaavat maan läpi auringosta ja ilmakehästä tai jotka säteilevät sinne satojen kilometrien päässä sijaitsevasta hiukkaskiihdyttimestä. Myöhemmin tänä vuonna observatorio lisää veteen harvinaista maametallia gadoliniumia. Tämä tekee detektorista paljon paremman erottamaan erityyppiset tai ”makuiset” neutriinot sekä niiden antihiukkaset, antineutriinot.
Vuonna 1987 Kamiokande-ilmaisin, Super-K:n pienempi edeltäjä, havaitsi ensimmäiset supernovasta peräisin olevat neutriinot. Kymmenkunta neutriinoa tuli supernovasta 1987A, joka tapahtui Suuressa Magellanin pilvessä, pienessä Linnunrataa kiertävässä galaksissa. Kokeen johtaja Masatoshi Koshiba sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2002 osittain tästä löydöstä. Sen jälkeen ei kuitenkaan ole yhdistetty yhtään neutriinoa supernovaan.
Fyysikko Masayuki Nakahata Super-K-ilmaisimen sisällä.Luotto: Noah Baker/Nature
Useimmiten Auringon neutriinot paljastavat itsensä tyrmäämällä suurella vauhdilla elektronin irti vesimolekyyleistä ja tuottamalla siten himmeän välähdyksen valoa (jonka Super-K:n ”silmät” näkevät). Toiset neutriinot – ja erityisesti antineutriinot, jotka muodostavat suurimman osan supernovapäästöistä – ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa atomiytimen protonin eikä elektronin kanssa. Tämä törmäys vapauttaa neutronin ja positronin, elektronin antimateriaversion. Detektorin on vaikea erottaa positronin signaalia auringon neutriinoista peräisin olevan elektronin signaalista. Mutta neutroni tuottaa oman signaalinsa – γ-säteen – kun se vangitaan toiseen ytimeen.
Uutta voimaa
Gadolinium-ytimet vangitsevat tällaisia harhailevia neutroneja paljon tehokkaammin kuin veden vety- tai happiytimet, ja niiden tuottama γ-säteily on Super-K:n helpompi havaita toisena valon välähdyksenä. Näin ollen, kun antineutriino osuu, Super-K ei näe yhtä, vaan kaksi välähdystä muutaman mikrosekunnin välein.
John Beacom, teoreettinen astrofyysikko Ohion valtionyliopistossa Columbuksessa, ja Mark Vagins, Super-K:n kokeilija, joka työskentelee nykyään maailmankaikkeuden fysiikan ja matematiikan Kavli-instituutissa Kashiwassa Japanin osavaltiossa, ideoivat gadoliniumin lisäämistä Super-K:hon 2000-luvun alussa1. Gadoliniumia oli käytetty pienemmissä neutriinokokeissa, mutta ei koskaan vesi-ilmaisimessa.
”Kun aloitimme, kaikki, joiden kanssa puhuimme, antoivat meille listan kymmenestä syystä, miksi se olisi mahdotonta”, Beacom sanoo. Vaginsin mukaan suurin haaste oli se, voisiko detektorin vettä suodattaa jatkuvasti epäpuhtauksien poistamiseksi ilman, että samalla poistettaisiin gadoliniumia. Hän johti vuosikymmenen kestänyttä ponnistelua osoittaakseen, että ajatus voisi toimia. Tähän liittyi 6 miljoonan dollarin neutriinodetektorin rakentaminen, jonka humoristinen nimi oli EGADS (Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems). Keskeinen osa tätä ponnistelua edellytti uudenlaisen vesijärjestelmän keksimistä.
Vuoteen 2015 mennessä Beacom ja Vagins olivat saaneet yhteistyön vakuuttuneeksi siitä, että gadolinium olisi sisällytettävä seuraavaan päivitykseen. Tuo uudistuksen osa tunnetaan epävirallisesti nimellä Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), huutomerkki mukaan lukien. (Kuten Egads, Gadzooksia käytetään usein supersankarisarjakuvissa ilmaisemaan yllätyksellisyyttä.)
Super-K on jo menestynyt valtavasti. Vuonna 1998, kaksi vuotta toiminnan aloittamisen jälkeen, ilmaisimella saatiin ensimmäinen vankka todiste siitä, että neutriinot ja antineutriinot voivat ”oskilloida” eli kiertää kolmen makuvaihtoehdon välillä. Löytö pakotti teoreetikot muuttamaan hiukkasfysiikan standardimallia – maailmankaikkeuden hiukkasten ja voimien selitystä – ja herätti runsaasti uusia kysymyksiä. (Takaaki Kajita, joka on Nakahatan kollega ja Super-K:n entinen johtaja, jakoi vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinnon neutriino-oskillaation löytämisestä.)
”Super-K on vaikuttanut hiukkasfysiikkaan yhtä paljon tai jopa enemmän kuin LHC, CERNin törmäytin, jolla löydettiin Higgsin bosoni”, sanoo Janet Conrad, neutriinofyysikko Massachusetts Institute of Technologysta Cambridgessa.
”Olen innoissani siitä, että Super-K:ssa käynnistetään nyt gadoliniumin lisääminen. Mielestäni fysiikka on hyvin jännittävää”, Conrad sanoo. ”Olen iloinen myös ystävieni Mark Vaginsin ja John Beacomin puolesta. Monet sanoivat, ettei tätä voida tehdä monista syistä.”
Hyper-K
Jopa Super-K:n aloittaessa alusta japanilaiset fyysikot ajavat vielä isompaa sisarusta nimeltä Hyper-Kamiokande. Tokion yliopisto on asettunut 55 miljardin jenin suuruisen hankkeen taakse, ja tutkijat odottavat nyt kuulla, rahoittaako maan hallitus sitä. Päätöstä odotetaan elokuussa.
”Tavoitteenamme on aloittaa Hyper-K:n rakentaminen kahdessa vuodessa ja aloittaa toiminta noin vuonna 2027”, sanoo projektin johtaja Masato Shiozawa, yliopiston fyysikko ja Super-K:n pitkäaikainen yhteistyökumppani.
Hyper-K:n säiliöön mahtuisi 260 000 tonnia vettä, eli yli viisi kertaa enemmän kuin Super-K:n säiliöön. Sen pelkkä koko tekisi siitä paljon tehokkaamman supernovien havaitsemisessa, mutta sen pitäisi myös auttaa sitä tutkimaan toista kosmista mysteeriä: miksi maailmankaikkeus näyttää koostuvan pääasiassa aineesta ja vain vähän antimateriasta.
Kriittinen askel tämän eron ymmärtämisessä, sanovat teoreetikot, on mitata epäsymmetriaa neutriinojen ja antineutriinojen välillä, erityisesti eroa nopeudessa, jolla antineutriinot kulkevat läpi kolmea makuvaihtoehtoaan neutriinojen nopeuteen nähden. Super-K:lla on jo havaittu vahvoja viitteitä tällaisesta erosta käyttämällä hiukkaskiihdyttimestä maankuoren läpi ammuttuja neutriinoja, mutta Hyper-K:lla voitaisiin tehdä paljon tarkempia mittauksia.