Piilotettuna 1 km: n syvyyteen Ikenon vuoren alla, Kamiokan sinkikaivoksessa, 290 km pohjoiseen Tokiosta (Japani), on paikka, josta kuka tahansa elokuvan tai supersankarin tarina tahansa suomalainen vihollinen haaveisi paikkansa. Tässä on "Super-Kamiokande" (tai "Super-K") - neutriinodetektori. Neutriinot ovat subatomisia perushiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa erittäin heikosti tavallisen aineen kanssa. He kykenevät tunkeutumaan ehdottomasti kaikkeen ja kaikkialle. Näiden perushiukkasten havaitseminen auttaa tutkijoita löytämään romahtavat tähdet ja oppimaan uutta tietoa maailmankaikkeudesta. Business Insider keskusteli Super-Kamiokanden aseman kolmen työntekijän kanssa ja selvitti, kuinka kaikki täällä toimii ja mitä kokeiluja tutkijat tekevät täällä.
Sukellus subatomiseen maailmaan
Neutriinoja on erittäin vaikea havaita. Niin vaikeaa, että kuuluisa amerikkalainen astrofysiikka ja tieteen popularisoija Neil DeGrasse Tyson kutsui heitä kerran "avaruuden vaikeimmaksi saaliksi".
”Aihe ei ole este neutriinoille. Nämä alaatomiset hiukkaset kykenevät kulkemaan satojen valovuosien metallin läpi eivätkä edes hidastu”, sanoi Degrass Tyson.
Mutta miksi tutkijat edes yrittävät kiinni heistä?
”Kun supernoova-räjähdys tapahtuu, tähti romahtaa itseensä ja muuttuu mustaksi reikäksi. Jos tämä tapahtuma tapahtuu galaksissamme, niin saman "Super-K": n kaltaiset neutriinoilmaisimet kykenevät tarttumaan osana tätä prosessia. Tällaisia ilmaisimia on hyvin vähän maailmassa”, selittää Yoshi Uchida Lontoon Imperial Collegesta.
Ennen kuin tähti romahtaa, se työntää neutriinoja avaruuden kaikkiin suuntiin, ja Super-Kamiokanden kaltaiset laboratoriot toimivat varhaisvaroitusjärjestelminä, jotka kertovat tutkijoille, mihin suuntaan katsoa nähdäkseen viimeisimmät tähden elämän hetket.
Mainosvideo:
”Yksinkertaistetuissa laskelmissa sanotaan, että supernovan räjähdyksen säde, jossa ilmaisimet voivat havaita ne, tapahtuu vain kerran 30 vuoden välein. Toisin sanoen, jos unohdat yhden, sinun on odotettava keskimäärin useita vuosikymmeniä ennen seuraavaa tapahtumaa”, Uchida sanoo.
Super-K-neutriinodetektori ei vain poimi neutriinoja, jotka osuvat siihen suoraan avaruudesta. Lisäksi neutriinoja välitetään siihen T2K-koelaitoksesta, joka sijaitsee Tokaiin kaupungissa, Japanin vastakkaisessa osassa. Lähetetyn neutriinisäteen on kuljettava noin 295 kilometriä, jonka jälkeen se saapuu Super-Kamiokande-ilmaisimeen, joka sijaitsee maan länsiosassa.
Tarkkailemalla, kuinka neutriinot muuttuvat (tai värähtelevät) kulkiessaan aineen läpi, voi kertoa tutkijoille enemmän maailmankaikkeuden luonteesta, kuten aineen ja antimateriaalin suhteesta.
"Big Bang -mallimme viittaavat siihen, että aine ja antimateria oli luotava yhtä suuressa osassa", Morgan Vasco Lontoon Imperial College -yliopistosta kertoi Business Insider -yritykselle.
”Suurin osa antimateriasta kuitenkin jostakin syystä katosi. Siellä on paljon enemmän tavallista ainetta kuin antimateria."
Tutkijat uskovat, että neutriinojen tutkiminen voi olla yksi tapa, jolla vastaus tähän arvoitukseen lopulta löytyy.
Kuinka Super Kamiokande tarttuu neutriinoihin
Super Kamiokande on noin 1000 metrin maanalaisessa maassa tällainen, 15-kerroksisen rakennuksen kokoinen.
Kaavio Super-Kamiokande-neutriinodetektorista.
Valtava sylinterinmuotoinen ruostumattomasta teräksestä valmistettu säiliö on täynnä 50 tuhatta tonnia erityisesti puhdistettua vettä. Tämän veden läpi kulkeva neutriino liikkuu valon nopeudella.
"Neutrinot, jotka tulevat säiliöön, tuottavat valoa samanlaisessa kuviossa kuin miten Concorde rikkoi äänesteen", sanoo Uchida.
”Jos kone liikkuu erittäin nopeasti ja rikkoo ääniesteen, sen taakse syntyy erittäin voimakas iskuaalto. Samoin veden läpi kulkevat ja valon nopeutta nopeammat liikkuvat neutriinot luovat kevyen shokki-aallon”, tutkija selittää.
Säiliön seiniin, kattoon ja pohjaan on asennettu hieman yli 11 000 erityistä kullattua "sipulia". Niitä kutsutaan valomittimiksi ja ne ovat erittäin valoherkkiä. Juuri ne vangitsevat nämä neutriinojen luomat kevyet iskut.
Valokoristimet näyttävät tältä.
Morgan Vasco kuvaa niitä "takalamppuiksi". Nämä laitteet ovat niin yliherkkiä, että jopa yhden valokvantin avulla ne pystyvät tuottamaan sähköisen impulssin, joka sitten prosessoidaan erityisellä elektronisella järjestelmällä.
Älä juo vettä, sinusta tulee lapsi
Jotta neutriinojen tuottamat iskut aallot pääsevät anturiin, säiliön veden on oltava kristallinkirkas. Niin puhdas, että et voi edes kuvitella. Super-Kamiokandassa se käy läpi jatkuvan erityisen monitasoisen puhdistuksen. Tutkijat säteilyttävät sitä jopa ultraviolettivalolla tappaakseen kaikki siinä mahdolliset bakteerit. Seurauksena hänestä tulee sellainen, että hän jo ottaa kauhun.
”Ultrapuhdistettu vesi voi liuottaa kaiken. Ultrapuhdistettu vesi on tässä erittäin, erittäin epämiellyttävä asia. Sillä on happo- ja emäsominaisuuksia”, Uchida sanoo.
"Jopa tippa tätä vettä voi aiheuttaa sinulle niin paljon vaivaa, että et koskaan unelmoinut", lisää Vasco.
Ihmiset purjehtivat veneellä Super-Kamiokanden säiliön sisällä.
Jos on tarpeen suorittaa huoltoa säiliön sisällä, esimerkiksi viallisten anturien korvaamiseksi, tutkijoiden on käytettävä kumivenettä (kuva yllä).
Kun Matthew Malek oli jatko-opiskelija Sheffieldin yliopistossa, hän ja kaksi muuta opiskelijaa olivat "onnekkaita" suorittamaan samanlaista työtä. Työpäivän lopussa, kun oli aika mennä yläkertaan, erityisesti suunniteltu avattava gondoli hajosi. Fyysikoilla ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin palata veneisiin ja odottaa sen korjaamista.
"En ymmärtänyt heti, kun makasin selässäni tässä veneessä ja puhuin toisten kanssa, kuinka pieni osa hiukseni, kirjaimellisesti enintään kolmen senttimetrin pituinen, kosketti tätä vettä", Malek sanoo.
Kun he lentävät Super-Kamiokanden sisällä ja tutkijat yläkerrassa korjasivat gondolin, Malek ei ollut huolissaan mistään. Hän oli huolissaan varhain seuraavana aamuna, kun tajusi, että jotain kauhistuttavaa oli tapahtunut.
“Heräsin kello 3 aamulla sietämättömästä kutinasta päässäni. Se oli luultavasti pahin kutina, jonka olen koskaan kokenut elämässäni. Pahempaa kuin vesirokko, joka minulla oli lapsena. Se oli niin kauhea, etten pystynyt enää nukkumaan enää”, tutkija jatkoi.
Malek tajusi, että tippa vettä, joka putosi hiustensa kärkeen, "imi kuivaksi" kaikki ravintoaineet heistä ja niiden puute saavutti kalvonsa. Hän kiirehti suihkussa kiireellisesti ja vietti siellä yli puoli tuntia yrittäen saada takaisin hiuksensa.
Toisen tarinan kertoi Vasco. Hän kuuli, että vuonna 2000 huollon aikana henkilöstö huuhteli vettä säiliöstä ja löysi jakoavaimen ääriviivat pohjasta.
”Ilmeisesti yksi avain oli vahingossa jättänyt tämän avaimen, kun he täyttivät säiliön vedellä vuonna 1995. Huuhdeltuaan vettä vuonna 2000, he huomasivat avaimen olevan liuennut."
Super-Kamiokande 2.0
Huolimatta siitä, että Super-Kamiokande on jo erittäin suuri neutriinodetektori, tutkijat ovat ehdottaneet vielä suuremman asennuksen luomista nimeltä Hyper-Kamiokande.
"Jos saamme hyväksynnän Hyper-Kamiokanden rakentamiseen, ilmaisin on käyttövalmis noin 2026", Vasco sanoo.
Ehdotetun konseptin mukaan Hyper-Kamiokande-ilmaisin on 20 kertaa suurempi kuin Super-Kamiokande. Suunnitellaan käytettävän noin 99 000 valotekijää.
Nikolay Khizhnyak