Fotosensory Super-Kamikande wykrywają neutrina jako błyski światła. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Siedem tysięcy gigantycznych pomarańczowych oczu staje przed szczęśliwcami, którzy weszli do podziemnego obserwatorium neutrin Super-Kamiokande w Japonii – zdecydowanie największego tego typu detektora neutrin na świecie. Szansa zobaczenia tych czujników światła jest rzadka, ponieważ zazwyczaj są one zanurzone w 50 000 ton oczyszczonej wody. Jednak gruntowna przebudowa Super-K, która została zakończona w styczniu, dała rzadką szansę zajrzenia do wnętrza tej wielkiej katedry nauki.
Po raz pierwszy od ponad dekady, między czerwcem a styczniem, woda została spuszczona z detektora w ramach remontu o wartości 1,1 miliarda jenów (10 milionów dolarów). Modernizacja pozwoli Super-K między innymi na polowanie na neutrina emitowane przez odległe supernowe, eksplozje, które mają miejsce, gdy starzejąca się gwiazda zapada się pod własnym ciężarem. Astronomowie chcą uzyskać te dane, aby lepiej zrozumieć historię supernowych we Wszechświecie – ale neutrina przez nie emitowane były trudne do wykrycia.
„Co 2-3 sekundy gdzieś we Wszechświecie wybucha supernowa, która wytwarza 1058 neutrin” – mówi Masayuki Nakahata, który kieruje Super-K, międzynarodowym projektem prowadzonym przez Japonię i Stany Zjednoczone. Dzięki modernizacji, detektor powinien być w stanie policzyć kilka takich „reliktowych” neutrin miesięcznie, mówi Nakahata, który jest fizykiem na Uniwersytecie Tokijskim.
Super-K znajduje się 1000 metrów pod górą w pobliżu Hida w centralnej Japonii. W jego wnętrzu cząsteczki wody wyłapują neutrina, które przedostają się przez ziemię ze Słońca i atmosfery lub są wysyłane z akceleratora cząstek oddalonego o setki kilometrów. Jeszcze w tym roku obserwatorium doda do wody rzadki metal ziemski gadolin. Dzięki temu detektor będzie znacznie lepiej rozróżniał różne typy lub „smaki” neutrin, a także ich antycząstki, antyneutrina.
W 1987 roku detektor Kamiokande, mniejszy poprzednik Super-K, wykrył pierwsze neutrina pochodzące z supernowej. Kilkanaście neutrin pochodziło z supernowej 1987A, która pojawiła się w Wielkim Obłoku Magellana, małej galaktyce krążącej wokół Drogi Mlecznej. Główny eksperymentator Masatoshi Koshiba otrzymał w 2002 r. nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki częściowo za to odkrycie. Jednak od tego czasu żadne neutrina nie zostały powiązane z supernową.
Fizyk Masayuki Nakahata wewnątrz detektora Super-K.Credit: Noah Baker/Nature
Większość neutrin słonecznych ujawnia się poprzez wybijanie elektronu z cząsteczki wody z dużą prędkością, wytwarzając w ten sposób słaby błysk światła (co widzą „oczy” Super-K). Jednak inne neutrina – a w szczególności antyneutrina, które stanowią większość emisji supernowej – oddziałują z protonem w jądrze atomowym zamiast z elektronem. Zderzenie to uwalnia neutron i pozyton, antymaterię będącą wersją elektronu. Sygnał pozytonu jest trudny do odróżnienia przez detektor od sygnału elektronu pochodzącego z neutrina słonecznego. Ale neutron wytwarza swoją własną sygnaturę – promieniowanie γ – gdy zostanie przechwycony przez inne jądro.
Nowa moc
Jądra kadolinu są znacznie bardziej efektywne niż jądra wodoru czy tlenu w przechwytywaniu takich zabłąkanych neutronów, a wytwarzane przez nie promieniowanie γ jest łatwiejsze do wykrycia przez Super-K, jako kolejny błysk światła. Tak więc, gdy uderzy antyneutrino, Super-K zobaczy nie jeden błysk, ale dwa, w odstępie kilku mikrosekund.
John Beacom, astrofizyk teoretyczny z Ohio State University w Columbus, i Mark Vagins, eksperymentator Super-K obecnie w Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe w Kashiwa, Japonia, wpadli na pomysł dodania gadolinu do Super-K na początku lat 20001. Gadolin był używany w mniejszych eksperymentach z neutrinami, ale nigdy w detektorze wodnym.
„Kiedy zaczynaliśmy, każdy, z kim rozmawialiśmy, podawał nam listę dziesięciu powodów, dla których byłoby to niemożliwe” – mówi Beacom. Największym wyzwaniem, jak twierdzi Vagins, było to, czy woda w detektorze może być stale filtrowana w celu usunięcia zanieczyszczeń bez jednoczesnego usuwania gadolinu. Kierował on trwającymi dziesięć lat pracami mającymi na celu zademonstrowanie, że pomysł ten może zadziałać, co wiązało się z budową wartego 6 milionów dolarów detektora neutrin o żartobliwej nazwie Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Kluczowa część tego wysiłku wymagała wynalezienia nowego typu systemu wodnego.
Do 2015 roku Beacom i Vagins przekonali współpracę do włączenia gadolinu do kolejnej aktualizacji. Ta część modernizacji jest nieoficjalnie znana jako Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), z wykrzyknikiem włącznie. (Podobnie jak Egads, Gadzooks jest często używany w komiksach super-bohaterskich do oznaczania zaskoczenia.)
Super-K już odniósł ogromny sukces. W 1998 roku, dwa lata po rozpoczęciu pracy, detektor dostarczył pierwszego solidnego dowodu na to, że neutrina i antyneutrina mogą „oscylować”, czyli cyklicznie przechodzić między trzema smakami. Odkrycie to zmusiło teoretyków do zmiany standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych – wyjaśnienia cząstek i sił we Wszechświecie – i zrodziło wiele nowych pytań. (Takaaki Kajita, który jest kolegą Nakahaty i byłym liderem Super-K, otrzymał w 2015 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie oscylacji neutrin.)
„Super-K miał taki sam wpływ na fizykę cząstek, jeśli nie większy, niż LHC, zderzacz w CERN, który odkrył bozon Higgsa”, mówi Janet Conrad, fizyk neutrin w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge.
„Jestem podekscytowana, że Super-K rozpoczyna teraz pracę z domieszką gadolinu. Myślę, że fizyka jest bardzo ekscytująca,” mówi Conrad. „Cieszę się również z powodu moich przyjaciół Marka Vaginsa i Johna Beacoma. Wiele osób twierdziło, że nie da się tego zrobić z wielu powodów.”
Hyper-K
Nawet gdy Super-K zaczyna od nowa, japońscy fizycy naciskają na jeszcze większe rodzeństwo o nazwie Hyper-Kamiokande. Uniwersytet Tokijski poparł projekt o wartości 55 miliardów jenów, a naukowcy czekają teraz na odpowiedź, czy rząd krajowy go sfinansuje. Decyzja spodziewana jest w sierpniu.
„Naszym celem jest rozpoczęcie budowy Hyper-K w ciągu dwóch lat, a następnie rozpoczęcie działania w 2027 roku lub później”, mówi lider projektu Masato Shiozawa, fizyk z uniwersytetu i wieloletni członek współpracy z Super-K.
Zbiornik Hyper-K pomieściłby 260 000 ton wody, czyli ponad pięć razy więcej niż zbiornik Super-K. Jego rozmiary sprawią, że będzie on bardziej efektywny w wykrywaniu supernowych, ale powinien również pomóc w badaniu innej kosmicznej tajemnicy: dlaczego Wszechświat wydaje się być zbudowany głównie z materii, z niewielką ilością antymaterii.
Kluczowym krokiem w kierunku zrozumienia tej różnicy, mówią teoretycy, jest zmierzenie asymetrii pomiędzy neutrinami i antyneutrinami, a konkretnie różnicy w szybkości, z jaką antyneutrina przechodzą przez swoje trzy smaki, w porównaniu do neutrin. Super-K już dostrzegł silne wskazówki takiej różnicy, używając neutrin wystrzelonych przez skorupę ziemską z akceleratora cząstek, ale Hyper-K byłby w stanie dokonać znacznie bardziej precyzyjnych pomiarów.
.