Категорії
Міста, країни, люди

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний Super-Kamiokande (або Super-K) – нейтринний детектор, який є модернізованою моделлю Kamiokande-II. Він розміщений в японській лабораторії на глибині в 1000 метрів в цинковій шахті Каміока, в 180 милях на північ від Токіо. Будівництво детектора Super-Kamiokande вироблялося консорціумом американських і японських дослідників, і було завершено в 1996 році.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Схема детектора

В 1930 році швейцарський фізик Вольфганг Паулі висловив припущення, що при бета-розпаді разом з електроном народжується якась частинка – невидимка, яка і забирає відсутню частину енергії. Непоміченою ця частинка залишається тому, що не має маси спокою і електричного заряду, вона не здатна відривати електрони від атома або розщеплювати ядра. Іншими словами, не може виробляти ті ефекти, за якими звичайно судять про появу частинки. До того ж вона дуже слабо взаємодіє з речовиною і тому може пройти через велику товщу речовини, не виявляючи себе.

У ті роки, коли вченим були відомі тільки електрон, протон і фотон, для подібного припущення була потрібна велика наукова сміливість.

В 1932-му після відкриття важкої нейтральної частинки – нейтрона італійський фізик Енріко Фермі припустив називати частинку, охарактеризовану Паулі, «нейтрино», що буквально означає «нейтрончик».

Спостереження реакцій, пов’язаних з нейтрино, стало можливим тільки після створення ядерних реакторів. Фізики-ядерники з багатьох країн намагалися експериментально підтвердити існування теоретично «обчисленої» частинки. Адже для остаточного доказу існування нейтрино потрібно було побачити його безпосередній вплив на речовину.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
На стінах резервуара нейтринного детектора «Супер-Каміоканде» розміщено 11146 фотопомножувачів (ФЕП) – фотоелектронний помножувач, що перетворює світловий сигнал або пучок світла в еквівалентний посилений електричний сигнал.

До 2000-го року було теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено існування трьох типів нейтрино: електронного, мюонного і тау-нейтрино. Однак це аж ніяк не означає завершення досліджень в галузі вивчення фізики цих частинок. Вченим не терпиться дізнатися, чи володіє нейтрино масою, оскільки результат цих досліджень може серйозно похитнути струнку структуру Стандартної моделі матерії.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
На «Супер-Каміоканді» працював японський вчений Такаакі Кадзіта, який отримав Нобелівську премію з фізики за відкриття нейтронних осциляцій

На сьогоднішній момент більшість наших знань про Всесвіт отримано зі спостережень фотонами. Фотони щедро виробляються, стабільні і електрично нейтральні, їх просто виявити в широкій області енергій, їх спектри несуть детальну інформацію про хімічні і фізичні властивості джерела. Але гарячі щільні області в ядрах зірок, ядра активних галактик та інша енергетичність астрофізичних джерел для фотонів непрозорі.

Виявлення космічних джерел нейтрино може пролити світло на фізику екзотичних астрономічних об’єктів, таких як екстремально потужні активні ядра галактик або таємничі гамма-спалахи, і допомогти зробити крок вперед у розумінні загадки темної матерії.

Одне з найцікавіших і найважчих завдань для фізиків і астрономів – «зловити» нейтрино позаземного походження, і насамперед виміряти потік нейтрино від Сонця, що дозволить підтвердити теоретичні гіпотези про механізми реакцій, що забезпечують його світимість.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Поверхня озера детектора. Детектор оснащено обладнанням для очищення води.

Для нейтрино сонячної речовини наче й не існує: вони відлітають з місця виникнення по прямолінійній траєкторії, ніде і нічим не відхиляючись, багато з них досягають поверхні Землі. Не має значення вдень чи вночі: вдень нейтрино прилітають зверху, вночі – знизу вільно пронизує земну кулю. На щастя, існують ізотопи, за допомогою яких можна влаштувати для нейтрино хоч і невелике, але помітну перешкоду. Найбільш відомим з них є хлор-37.

У тих рідкісних випадках, коли нейтрино стикається з ядром атома хлору, це ядро випускає електрон і виникає атомне ядро радіоактивного аргону, яке розпадається через 35 днів. Використовуючи цю реакцію, можна побудувати детектор для сонячних нейтрино, який, щоб компенсувати рідкість таких зіткнень, повинен мати великі розміри і для захисту від фонового випромінювання знаходитися глибоко під землею.

Детектор Super-Kamiokande являє собою резервуар з нержавіючої сталі майже 42-метровою висотою і біля 40 метрів діаметром, заповнений 50 тисячами тоннами спеціально очищеної води. На стінах резервуара розміщено 11146 фотопомножувачів (ФЕП). Також детектор оснащено величезною кількістю електроніки, комп’ютерами, калібрувальними пристроями та обладнанням для очищення води. Це надзвичайно світлочутливі прилади: при попаданні на їх поверхню навіть одного кванта світла вони генерують електричний імпульс, який потім обробляє спеціальна електронна система.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Електромагнітні хвилі у вільному просторі – це поперечні хвилі, в яких вектора напруженостей електричного і магнітного полів коливаються перпендикулярно напрямку поширення хвилі, але вони істотно відрізняються від хвиль на воді і звуку тим, що їх можна передати від джерела до приймача в тому числі і через вакуум.

Вирішення проблеми дефіциту сонячних нейтрино (зокрема дослідження осциляцій нейтрино) також вимагає незалежних вимірювань потоку електронних нейтрино і мюонних і тау-нейтрино. У 1998 році учасники експерименту «Суперкаміоканде» заявили про реєстрацію явищ, схожих на осциляції нейтрино.

Виявлення осциляцій нейтрино стало свідченням наявності у нейтрино маси спокою. А тому наступні нейтринні експерименти ставили своєю основною метою пошук осциляцій нейтрино.

Осциляції нейтрино – це перетворення нейтрино (електронного, мюонного або таонного) в нейтрино іншого сорту (покоління), або ж в антинейтрино. Такі перетворення стали свідчити про наявність у нейтрино маси спокою. І виявилося, що всі нейтрино Всесвіту важать приблизно стільки ж, скільки всі видимі зірки.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
ФЕП – це надзвичайно світлочутливі прилади: при попаданні на їхню поверхню навіть одного кванта світла вони генерують електричний імпульс, який потім обробляє спеціальна електронна система.
Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Блоки зі сфер в стінах детектора
Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
На стінах резервуара розміщено 11146 фотопомножувачів.
Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Меридіан в астрономії – велике коло небесної сфери, що проходить через полюси світу, зеніт і надир.
Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande
Детектор — пристрій в вимірювальному приладі, що служить для перетворення електричних коливань, в результаті з яких виділяються складові низької частоти, що називається детектування електричних коливань.

Залишити відповідь