A Super Kamiokande fényérzékelői fényvillanásként érzékelik a neutrínókat. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Tizenötezer óriási narancssárga szemmel szembesül az a néhány szerencsés, aki belép a japán Super-Kamiokande földalatti neutrínóobszervatóriumba – a világ messze legnagyobb neutrínódetektorába. Ritkán van esély arra, hogy valaki megnézze ezeket a fényérzékelőket, mert általában 50 ezer tonna tisztított vízbe merítik őket. A Super-K januárban befejeződött nagyszabású felújítása azonban ritka lehetőséget nyújtott arra, hogy betekintsünk a tudomány e nagy katedrálisába.
Június és január között több mint egy évtized óta először engedték le a vizet a detektorból az 1,1 milliárd jen (10 millió dollár) értékű felújítás részeként. A korszerűsítés többek között lehetővé teszi a Super-K számára, hogy távoli szupernóvák által kibocsátott neutrínókra vadásszon, olyan robbanásokra, amelyek akkor következnek be, amikor egy öregedő csillag a saját súlya alatt összeomlik. A csillagászok azért keresik ezeket az adatokat, hogy jobban megértsék a szupernóvák történetét az Univerzumban – de az általuk kibocsátott neutrínókat eddig nehéz volt kimutatni.
“Minden 2-3 másodpercben felrobban egy szupernóva valahol az Univerzumban, és 1058 neutrínót termel” – mondja Masayuki Nakahata, aki a Super-K-t vezeti, egy Japán és az Egyesült Államok által vezetett nemzetközi együttműködésben. A fejlesztéssel a detektornak havonta néhány ilyen “reliktum” neutrínót kellene megszámolnia, mondja Nakahata, aki a Tokiói Egyetem fizikusa.
A Super-K 1000 méterrel egy hegy alatt található Hida közelében, Japán középső részén. Belsejében vízmolekulák fogják fel a neutrínókat, amelyek a talajon keresztül áramlanak a Napból és a légkörből, vagy amelyeket egy több száz kilométerre lévő részecskegyorsítóból sugároznak be. Még ebben az évben az obszervatórium ritkaföldfém gadolíniumot ad a vízhez. Ezáltal a detektor sokkal jobban meg tudja majd különböztetni a különböző típusú vagy “ízű” neutrínókat, valamint azok antirészecskéit, az antineutrinókat.
1987-ben a Kamiokande detektor, a Super-K kisebb elődje, észlelte az első szupernóvából származó neutrinókat. A tucatnyi neutrínó az 1987A szupernóvából származott, amely a Nagy Magellán-felhőben, a Tejútrendszer körül keringő kis galaxisban keletkezett. A kísérletet vezető Masatoshi Koshiba részben ezért a felfedezésért kapta meg a 2002-es fizikai Nobel-díjat. Azóta azonban egyetlen neutrínót sem hoztak kapcsolatba szupernóvával.
Masayuki Nakahata fizikus a Super-K detektor belsejében.Credit: Noah Baker/Nature
A legtöbb napneutrínó úgy mutatkozik meg, hogy nagy sebességgel leüt egy elektront egy vízmolekuláról, ami halvány fényvillanást kelt (ezt látják a Super-K “szemei”). Más neutrínók azonban – és különösen az antineutrínók, amelyek a szupernóva-kibocsátás nagy részét teszik ki – elektron helyett egy atommagban lévő protonnal lépnek kölcsönhatásba. Ez az ütközés egy neutront és egy pozitront, az elektron antianyag változatát szabadítja fel. A pozitron jelét a detektor nehezen tudja megkülönböztetni a napneutrínóból származó elektron jelétől. A neutron azonban saját jelet – egy γ-sugarat – produkál, amikor egy másik atommag befogja.
Új erő
A gadolínium atommagok sokkal hatékonyabbak az ilyen kóbor neutronok befogásában, mint a víz hidrogén vagy oxigén atommagjai, és az általuk kibocsátott γ-sugarakat a Super-K könnyebben érzékeli, mint egy másik fényvillanást. Így amikor egy antineutrínó becsapódik, a Super-K nem egy, hanem két villanást fog látni, néhány mikromásodperc különbséggel.
John Beacom, a Columbus-i Ohio State University elméleti asztrofizikusa és Mark Vagins, a Super-K kísérletezője, aki jelenleg a japán Kashiwában található Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe kutatóintézetben dolgozik, a 2000-es évek elején találta ki a Super-K gadolíniummal való kiegészítését1. Gadolíniumot már használtak kisebb neutrínókísérletekben, de vízdetektorban még soha.
“Amikor elkezdtük, mindenki, akivel beszéltünk, tíz okot sorolt fel, amiért ez lehetetlen” – mondja Beacom. Vagins szerint a legnagyobb kihívást az jelentette, hogy a detektor vizét folyamatosan lehet-e szűrni a szennyeződések eltávolítása érdekében anélkül, hogy ezzel egyidejűleg a gadolíniumot is eltávolítanák. Egy évtizedes erőfeszítést vezetett annak bizonyítására, hogy az ötlet működhet, ami egy 6 millió dolláros neutrínódetektor megépítésével járt, amelyet humorosan Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS) néven emlegetnek. Ennek az erőfeszítésnek döntő része egy új típusú vízrendszer feltalálása volt.
2015-re Beacom és Vagins meggyőzte az együttműködést, hogy a gadolíniumot is vegyék bele a következő fejlesztésbe. A felújításnak ez a része nem hivatalosan Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), felkiáltójellel együtt. (A szuperhős képregényekben az Egads-hez hasonlóan a Gadzokokszot is gyakran használják a meglepetés jelzésére.)
A Szuper-K máris hatalmas sikert aratott. Két évvel a működés megkezdése után, 1998-ban a detektor szolgáltatta az első szilárd bizonyítékot arra, hogy a neutrínók és antineutrínók “oszcillálhatnak”, vagyis három íz között ciklizálhatnak. A felfedezés arra kényszerítette az elméletalkotókat, hogy módosítsák a részecskefizika standard modelljét – az Univerzum részecskéinek és erőinek magyarázatát -, és számos új kérdést vetett fel. (Takaaki Kajita, aki Nakahata kollégája és a Super-K korábbi vezetője, megosztva kapta a 2015-ös fizikai Nobel-díjat a neutrínók oszcillációjának felfedezéséért.)
“A Super-K legalább akkora hatással volt a részecskefizikára, ha nem nagyobbal, mint a Higgs-bozont felfedező LHC, a CERN ütköztetője” – mondja Janet Conrad, a cambridge-i Massachusetts Institute of Technology neutrínófizikusa.
“Nagyon örülök, hogy a Super-K most gadoliniummal dúsítva indul be. Szerintem a fizika nagyon izgalmas” – mondja Conrad. “Örülök a barátaimnak, Mark Vaginsnak és John Beacomnak is. Sokan voltak, akik azt mondták, hogy ez számos okból nem valósulhat meg.”
Hyper-K
Még a Super-K újrakezdése közben is a japán fizikusok egy még nagyobb testvérét, a Hyper-Kamiokande-ot szorgalmazzák. A Tokiói Egyetem az 55 milliárd jen értékű projekt mögé állt, és a kutatók most arra várnak, hogy a nemzeti kormány finanszírozza-e a projektet. A döntés augusztusban várható.
“Célunk, hogy a Hyper-K építését két éven belül elkezdjük, majd 2027-ben vagy úgy 2027-ben megkezdjük a működést” – mondja Masato Shiozawa, a projekt vezetője, az egyetem fizikusa, aki régóta tagja a Super-K együttműködésnek.
A Hyper-K tartálya 260 000 tonna vizet tárolna, több mint ötször annyit, mint a Super-K-é. A puszta mérete sokkal hatékonyabbá tenné a szupernóvák észlelését, de ez segítene egy másik kozmikus rejtély vizsgálatában is: miért tűnik úgy, hogy az Univerzum elsősorban anyagból áll, és miért kevés az antianyag.
A teoretikusok szerint ennek a különbségnek a megértéséhez elengedhetetlen lépés a neutrínók és antineutrínók közötti aszimmetria mérése, nevezetesen a különbség abban a sebességben, amellyel az antineutrínók a három ízükön keresztül haladnak, szemben a neutrínókéval. A Super-K már látott erős utalásokat egy ilyen különbségre, egy részecskegyorsítóból a földkéregbe lőtt neutrínók segítségével, de a Hyper-K sokkal pontosabb méréseket tudna végezni.