Categories
Різне

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний Super-Kamiokande (Японія) 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

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.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

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

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

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

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 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.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

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

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 3емлі. 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.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

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.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Детектор Super-Kamiokande являє собою резервуар з нержавіючої сталі висотою 42 м і діаметром 40 м, заповнений 50 тисячами тоннами спеціально очищеної води. На стінах резервуара розміщені 11146 фотопомножувачів (ФЕУ). Також детектор оснащений 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

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.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Виявлення осциляцій нейтрино стало свідченням наявності у нейтрино маси спокою. А тому наступні нейтринні експерименти ставили своєю основною метою пошук осциляцій нейтрино. Такі перетворення стали свідчити про наявність у нейтрино маси спокою. Виявилося, що всі нейтрино Всесвіту важать приблизно стільки ж, скільки всі видимі зірки.

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande

Підземний детектор нейтрино Super-Kamiokande