Fotodetectorii super Kamiokande detectează neutrinii sub formă de flash-uri de lumină. Credit: Asahi Shimbun/Getty
Șapte mii de ochi portocalii uriași îi înfruntă pe puținii norocoși care au intrat în observatorul subteran de neutrini Super-Kamiokande din Japonia – de departe cel mai mare detector de neutrini de acest tip din lume. Șansa de a vedea acești senzori de lumină este rară, deoarece aceștia sunt de obicei scufundați în 50.000 de tone de apă purificată. Dar o renovare majoră a Super-K care a fost finalizată în ianuarie a oferit o șansă rară de a privi în interiorul acestei mari catedrale a științei.
Pentru prima dată în mai mult de un deceniu, între iunie și ianuarie, apa a fost drenată din detector ca parte a unei renovări de 1,1 miliarde de yeni (10 milioane de dolari). Printre altele, modernizarea va permite Super-K să vâneze neutrini emiși de supernovele îndepărtate, explozii care au loc atunci când o stea îmbătrânită se prăbușește sub propria greutate. Astronomii doresc aceste date pentru a înțelege mai bine istoria supernovelor din Univers – dar neutrinii pe care aceștia îi emit au fost dificil de detectat.
„La fiecare 2-3 secunde, o supernovă explodează undeva în Univers și produce 1058 de neutrini”, spune Masayuki Nakahata, care conduce Super-K, o colaborare internațională condusă de Japonia și Statele Unite. Cu ajutorul modernizării, detectorul ar trebui să poată număra câțiva dintre acești neutrini „relicvă” în fiecare lună, spune Nakahata, care este fizician la Universitatea din Tokyo.
Super-K se află la 1.000 de metri sub un munte lângă Hida, în centrul Japoniei. Înăuntru, moleculele de apă captează neutrini care trec prin pământ de la Soare și atmosferă sau care sunt trimiși de la un accelerator de particule aflat la sute de kilometri distanță. În cursul acestui an, observatorul va adăuga în apă gadoliniu, un metal din pământuri rare. Acest lucru va face ca detectorul să distingă mult mai bine diferitele tipuri, sau „arome”, de neutrini, precum și antiparticulele lor, antineutrinii.
În 1987, detectorul Kamiokande, predecesorul mai mic al lui Super-K, a detectat primii neutrini de la o supernovă. Duzina de neutrini proveneau de la Supernova 1987A, care a avut loc în Marele Nor al lui Magellan, o mică galaxie care orbitează în jurul Căii Lactee. Experimentatorul șef Masatoshi Koshiba a împărțit premiul Nobel pentru fizică din 2002 în parte pentru această descoperire. Dar, de atunci, niciun neutrino nu a mai fost legat de o supernovă.
Fizicianul Masayuki Nakahata în interiorul detectorului Super-K. Credit: Noah Baker/Nature
Majoritatea neutrinilor solari se dezvăluie prin lovirea unui electron de pe o moleculă de apă la viteză mare, producând astfel o slabă sclipire de lumină (care este ceea ce văd „ochii” lui Super-K). Dar alți neutrini – și, în special, antineutrinii care constituie cea mai mare parte a emisiilor de supernove – interacționează cu un proton dintr-un nucleu atomic în loc să interacționeze cu un electron. Această coliziune eliberează un neutron și un pozitron, versiunea antimaterie a electronului. Semnalul positronului este greu de distins de către detector de cel al unui electron provenit de la un neutrino solar. Dar neutronul își produce propria semnătură – o rază γ – atunci când este capturat de un alt nucleu.
Putere nouă
Nucleii de gadoliniu sunt mult mai eficienți decât nucleele de hidrogen sau de oxigen din apă în captarea unor astfel de neutroni rătăciți, iar razele γ pe care le produc sunt mai ușor de detectat de Super-K, ca un alt flash de lumină. Astfel, atunci când un antineutrino lovește, Super-K va vedea nu o singură străfulgerare, ci două, la câteva microsecunde distanță.
John Beacom, astrofizician teoretician la Ohio State University din Columbus, și Mark Vagins, un experimentator al Super-K, acum la Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe din Kashiwa, Japonia, au venit cu ideea de a adăuga gadoliniu la Super-K la începutul anilor 20001. Gadoliniul fusese folosit în experimente mai mici cu neutrini, dar niciodată într-un detector de apă.
„Când am început, toată lumea cu care am vorbit ne-a dat o listă de zece motive pentru care ar fi imposibil”, spune Beacom. Cea mai mare provocare, spune Vagins, a fost dacă apa detectorului ar putea fi filtrată continuu pentru a elimina impuritățile fără a elimina în același timp gadoliniul. El a condus un efort de un deceniu pentru a demonstra că ideea ar putea funcționa, ceea ce a implicat construirea unui detector de neutrini în valoare de 6 milioane de dolari americani, denumit în mod umoristic Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). O parte crucială a acestui efort a necesitat inventarea unui nou tip de sistem de apă.
Până în 2015, Beacom și Vagins au convins colaborarea să includă gadoliniul în următoarea actualizare. Acea parte a modernizării este cunoscută neoficial sub numele de Detectorul de antineutrino cu gadoliniu care depășește cu zel vechiul Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), cu semnul exclamării inclus. (La fel ca Egads, Gadzooks este adesea folosit în benzile desenate cu supereroi pentru a denota surpriza.)
Super-K a avut deja un succes enorm. În 1998, la doi ani de la începerea operațiunilor, detectorul a furnizat prima dovadă solidă că neutrinii și antineutrinii pot „oscila”, sau cicla, între trei arome. Descoperirea i-a obligat pe teoreticieni să modifice modelul standard al fizicii particulelor – explicația particulelor și forțelor din Univers – și a ridicat o serie de noi întrebări. (Takaaki Kajita, care este colegul lui Nakahata și fostul lider al Super-K, a împărțit premiul Nobel pentru fizică din 2015 pentru descoperirea oscilației neutrinilor.)
„Super-K a fost la fel de influent în fizica particulelor, dacă nu chiar mai influent, decât LHC, acceleratorul de coliziuni de la CERN care a descoperit bosonul Higgs”, spune Janet Conrad, fizician specializat în neutrino de la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge.
„Sunt încântată că Super-K pornește acum cu dopaj cu gadoliniu. Cred că fizica este foarte interesantă”, spune Conrad. „Mă bucur, de asemenea, pentru prietenii mei Mark Vagins și John Beacom. Au fost mulți oameni care au spus că acest lucru nu se poate face din multe motive.”
Hyper-K
În timp ce Super-K începe din nou, fizicienii japonezi fac presiuni pentru un frate și mai mare, numit Hyper-Kamiokande. Universitatea din Tokyo și-a aruncat greutatea în spatele acestui proiect în valoare de 55 de miliarde de yeni, iar cercetătorii așteaptă acum să afle dacă guvernul național îl va finanța. O decizie este așteptată în luna august.
„Ne propunem să începem construcția Hyper-K în doi ani, iar apoi să începem operarea în 2027 sau cam așa ceva”, spune liderul de proiect Masato Shiozawa, fizician la universitate și membru de lungă durată al colaborării cu Super-K.
Cazanul lui Hyper-K ar conține 260.000 de tone de apă, de peste cinci ori mai mult decât cel al lui Super-K. Dimensiunile sale ar face ca acesta să fie mult mai eficient în detectarea supernovelor, dar ar trebui, de asemenea, să îl ajute să investigheze un alt mister cosmic: de ce Universul pare să fie alcătuit în principal din materie, cu puțină antimaterie în jur.
Un pas crucial pentru a înțelege această diferență, spun teoreticienii, este de a măsura o asimetrie între neutrini și antineutrini, mai exact o diferență în viteza cu care antineutrinii parcurg ciclic cele trei arome ale lor, față de cea a neutrinilor. Super-K a observat deja indicii puternice ale unei astfel de diferențe, folosind neutrini împușcați prin scoarța terestră de un accelerator de particule, dar Hyper-K ar putea face măsurători mult mai precise.