Super Kamiokandes fotosensorer upptäcker neutriner som ljusblixtar. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Eleven tusen gigantiska orange ögon möter de lyckliga få som har gått in i Super Kamiokande, det underjordiska neutrinoobservatoriet i Japan – den överlägset största neutrinodetektorn i sitt slag i världen. Chansen att få se dessa ljussensorer är sällsynt eftersom de vanligtvis är nedsänkta i 50 000 ton renat vatten. Men en omfattande renovering av Super-K som avslutades i januari gav en sällsynt chans att kika in i denna vetenskapens stora katedral.
För första gången på mer än ett decennium, mellan juni och januari, tömdes vattnet från detektorn som en del av en renovering på 1,1 miljarder yen (10 miljoner US-dollar). Uppgraderingen kommer bland annat att göra det möjligt för Super-K att jaga neutriner som avges av avlägsna supernovor, explosioner som inträffar när en åldrande stjärna kollapsar under sin egen tyngd. Astronomer vill ha dessa data för att bättre förstå supernovornas historia i universum – men de neutriner som de avger har varit svåra att upptäcka.
”Var 2-3:e sekund exploderar en supernova någonstans i universum, och den avger 1058 neutriner”, säger Masayuki Nakahata, som leder Super-K, ett internationellt samarbete som leds av Japan och USA. Med uppgraderingen bör detektorn kunna räkna några av dessa ”relikneutriner” varje månad, säger Nakahata, som är fysiker vid Tokyos universitet.
Super-K ligger 1 000 meter under ett berg nära Hida i centrala Japan. Där inne fångar vattenmolekyler upp neutriner som strömmar genom marken från solen och atmosfären, eller som strålar in från en partikelaccelerator hundratals kilometer bort. Senare i år kommer observatoriet att tillsätta den sällsynta jordartsmetallen gadolinium till vattnet. Detta kommer att göra detektorn mycket bättre på att skilja mellan olika typer, eller ”smaker”, av neutriner, liksom deras antipartiklar, antineutriner.
År 1987 upptäckte Kamiokande-detektorn, Super-K:s mindre föregångare, de första neutrinerna från en supernova. Dussinet neutriner kom från supernova 1987A, som inträffade i det stora magellanska molnet, en liten galax som kretsar kring Vintergatan. Den ledande experimentatorn Masatoshi Koshiba fick 2002 års Nobelpris i fysik delvis för denna upptäckt. Men inga neutriner har kopplats till en supernova sedan dess.
Fysiker Masayuki Nakahata inuti Super-K-detektorn.Credit: Noah Baker/Nature
De flesta solneutriner avslöjar sig själva genom att slå bort en elektron från en vattenmolekyl med hög hastighet, vilket ger upphov till en svag ljusglimt (vilket är vad Super-K:s ”ögon” ser). Men andra neutriner – och i synnerhet de antineutriner som utgör huvuddelen av supernovaemissionerna – interagerar med en proton i en atomkärna i stället för med en elektron. Denna kollision frigör en neutron och en positron, den antimateriella versionen av elektronen. Positronens signal är svår för detektorn att skilja från signalen från en elektron från en solneutrino. Men neutronen producerar sin egen signatur – en γ-stråle – när den fångas upp av en annan atomkärna.
Ny kraft
Gadoliniumkärnor är mycket effektivare än vattnets väte- eller syrekärnor när det gäller att fånga upp sådana herrelösa neutroner, och de γ-strålar som de producerar är lättare för Super-K att detektera, som en annan ljusblixt. När en antineutrino träffar Super-K kommer Super-K alltså inte att se en blixt utan två, med några mikrosekunders mellanrum.
John Beacom, teoretisk astrofysiker vid Ohio State University i Columbus, och Mark Vagins, Super-K-experimentalist som numera arbetar vid Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe i Kashiwa, Japan, fick idén om att lägga till gadolinium i Super-K i början av 2000-talet1. Gadolinium hade använts i mindre neutrinoexperiment, men aldrig i en vattendetektor.
”När vi började gav alla vi pratade med oss en lista med tio anledningar till varför det skulle vara omöjligt”, säger Beacom. Den största utmaningen, säger Vagins, var huruvida detektorns vatten kunde filtreras kontinuerligt för att avlägsna föroreningar utan att gadoliniumet avlägsnades samtidigt. Han ledde ett decennielångt arbete för att visa att idén kunde fungera, vilket innebar att man byggde en neutrindetektor för 6 miljoner US-dollar, humoristiskt kallad Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). En avgörande del av detta arbete krävde att man uppfann en ny typ av vattensystem.
Under 2015 hade Beacom och Vagins övertalat samarbetet att inkludera gadolinium i nästa uppgradering. Den delen av uppgraderingen är inofficiellt känd som Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), med utropstecken. (Liksom Egads används Gadzooks ofta i superhjälteserier för att beteckna överraskning.)
Super-K har redan varit enormt framgångsrik. År 1998, två år efter det att driften påbörjades, gav detektorn det första solida beviset för att neutriner och antineutriner kan ”oscillera”, eller cykla, mellan tre smaker. Upptäckten tvingade teoretiker att ändra partikelfysikens standardmodell – förklaringen till universums partiklar och krafter – och väckte en mängd nya frågor. (Takaaki Kajita, som är Nakahatas kollega och tidigare ledare för Super-K, delade 2015 års Nobelpris i fysik för sin upptäckt av neutrinooscillation.)
”Super-K har haft lika stort inflytande på partikelfysiken, om inte större, än LHC, kollidatorn vid CERN som upptäckte Higgsbosonen”, säger Janet Conrad, neutrinofysiker vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge.
”Jag är glad att Super-K startar upp med gadoliniumdopning nu. Jag tycker att fysiken är mycket spännande”, säger Conrad. ”Jag är också glad för mina vänner Mark Vagins och John Beacom. Det var många som sa att detta inte kunde göras av många anledningar.”
Hyper-K
Även när Super-K börjar om på nytt, driver japanska fysiker på för ett ännu större syskon kallat Hyper-Kamiokande. Universitetet i Tokyo har lagt sin tyngd bakom projektet på 55 miljarder yen, och forskarna väntar nu på att få veta om den nationella regeringen kommer att finansiera det. Ett beslut väntas i augusti.
”Vi siktar på att påbörja byggandet av Hyper-K om två år och sedan inleda driften 2027 eller så”, säger projektledaren Masato Shiozawa, fysiker vid universitetet och mångårig medlem i Super-K-samarbetet.
Hyper-K:s tank skulle rymma 260 000 ton vatten, vilket är mer än fem gånger så mycket som Super-K:s tank. Dess storlek skulle göra den mycket effektivare när det gäller att upptäcka supernovor, men den skulle också hjälpa den att undersöka ett annat kosmiskt mysterium: varför universum främst verkar bestå av materia, med lite antimateria.
Ett avgörande steg för att förstå denna skillnad, säger teoretiker, är att mäta en asymmetri mellan neutriner och antineutriner, närmare bestämt en skillnad i hastigheten med vilken antineutriner cyklar genom sina tre smaker, jämfört med neutriner. Super-K har redan sett starka tecken på en sådan skillnad med hjälp av neutriner som skjutits genom jordskorpan från en partikelaccelerator, men Hyper-K skulle kunna göra mycket mer exakta mätningar.