Skjult i en dybde på 1 km under Ikeno-bjerget, i Kamioka-zinkminen, 290 km nord for Tokyo (Japan), er der et sted, som enhver supervillain fra en hvilken som helst film eller en superhelthistorie ville drømme om som hans lejr. Her er "Super-Kamiokande" (eller "Super-K") - en neutrino detektor. Neutrinoer er subatomære fundamentale partikler, der interagerer meget svagt med almindeligt stof. De er i stand til at trænge ind i absolut alt og overalt. Iagttagelse af disse grundlæggende partikler hjælper forskere med at finde sammenbrudte stjerner og lære ny information om vores univers. Business Insider talte med tre ansatte på Super-Kamiokande station og fandt ud af, hvordan alt fungerer her, og hvilke eksperimenter forskere udfører her.
Kaster sig ned i en subatomisk verden
Neutrinoer er meget vanskelige at opdage. Så svært, at den berømte amerikanske astrofysiker og videnskabsfolk Neil DeGrasse Tyson engang kaldte dem "det mest undvigende bytte i rummet."
”Materiale repræsenterer ikke nogen hindring for neutrinoer. Disse subatomære partikler er i stand til at passere gennem hundreder af lysår af metal og ikke engang bremse,”sagde Degrass Tyson.
Men hvorfor prøver forskere endda at fange dem?
”Når der sker en supernovaeksplosion, falder stjernen sammen i sig selv og forvandles til et sort hul. Hvis denne begivenhed finder sted i vores galakse, er neutrino detektorer som den samme "Super-K" i stand til at fange de neutrinoer, der udsendes som en del af denne proces. Der er meget få sådanne detektorer i verden,”forklarer Yoshi Uchida fra Imperial College London.
Før en stjerne kollapser, udsætter den neutrinoer i alle rumretninger, og laboratorier som Super-Kamiokande fungerer som tidlige advarselssystemer, der fortæller forskere, hvilken retning de skal se for at se de sidste øjeblikke i stjernelivet.
Salgsfremmende video:
”Forenklede beregninger siger, at begivenheder med en supernovaeksplosion i den radius, hvor vores detektorer kan registrere dem, kun forekommer hvert tredje år. Med andre ord, hvis du går glip af en, bliver du nødt til at vente i gennemsnit flere årtier inden den næste begivenhed,”siger Uchida.
Super-K neutrino detektor gør mere end bare at fange neutrinoer, der rammer den direkte fra rummet. Derudover overføres neutrinoer til det fra T2K-forsøgsanlægget beliggende i byen Tokai, i den modsatte del af Japan. Den sendte neutrino-stråle skal køre ca. 295 kilometer, hvorefter den kommer ind i Super-Kamiokande-detektoren, der ligger i den vestlige del af landet.
Når man observerer, hvordan neutrinoer ændrer sig (eller svinger), når de rejser gennem materie, kan fortælle forskere mere om universets natur, såsom forholdet mellem stof og antimaterie.
”Vores Big Bang-modeller antyder, at materie og antimaterie skulle oprettes i lige store proportioner,” fortalte Morgan Vasco fra Imperial College London til Business Insider.
”Imidlertid forsvandt hoveddelen af antimateria af en eller anden grund. Der er meget mere almindeligt stof end antimaterie."
Forskere mener, at studiet af neutrinoer kan være en af måderne hvorpå svaret på denne gåte endelig kan findes.
Hvordan Super Kamiokande fanger neutrinoer
Super Kamiokande ligger 1.000 meter under jorden og er sådan noget på størrelse med en bygning på 15 etager.
Skematisk af Super-Kamiokande neutrino detektor.
En enorm cylinderformet rustfri ståltank er fyldt med 50 tusind tons specielt renset vand. At passere gennem dette vand neutrino bevæger sig med lysets hastighed.
"Neutrinoer, der kommer ind i reservoiret, producerer lys i et mønster, der ligner, hvordan Concorde brød lydbarrieren," siger Uchida.
”Hvis flyet bevæger sig meget hurtigt og bryder lydbarrieren, oprettes der en meget kraftig stødbølge bag det. Tilsvarende skaber neutrinoer, der passerer gennem vand og bevæger sig hurtigere end lysets hastighed, en let chokbølge,”forklarer forskeren.
Der er godt 11.000 specielle forgyldte "pærer" installeret på væggene, loftet og bunden af tanken. De kaldes fotomultiplikatorer og er meget lysfølsomme. Det er dem, der fanger disse lyschokbølger skabt af neutrinoerne.
Fotomultiplikatorer ser sådan ud.
Morgan Vasco beskriver dem som "baggrundslyspærer". Disse enheder er så overfølsomme, at de selv ved hjælp af et enkelt lyskvantum er i stand til at generere en elektrisk impuls, som derefter behandles af et specielt elektronisk system.
Drik ikke vand, du bliver et barn
For at lys fra stødbølger genereret af neutrinoer skal nå sensorer, skal vandet i tanken være krystalklar. Så ren, at du ikke engang kan forestille dig. Hos Super-Kamiokanda gennemgår den en konstant proces med speciel rengøring på flere niveauer. Forskere bestråler endda det med ultraviolet lys for at dræbe alle mulige bakterier deri. Som et resultat bliver hun sådan, at hun allerede gør forfærdelse.
”Ultrarenset vand kan opløse alt. Ultrarenset vand er en meget, meget ubehagelig ting her. Det har syre- og alkaliegenskaber,”siger Uchida.
”Selv en dråbe af dette vand kan give dig så mange problemer, at du aldrig har drømt om, tilføjer Vasco.
Folk sejler på en båd inde i Super-Kamiokande reservoiret.
Hvis det er nødvendigt at udføre vedligeholdelse inde i tanken, for eksempel at udskifte mislykkede sensorer, skal forskerne bruge en gummibåd (afbildet ovenfor).
Da Matthew Malek var kandidatstuderende ved University of Sheffield, var han og to andre studerende "heldige" til at påtage sig lignende arbejde. I slutningen af arbejdsdagen, da det var tid til at gå ovenpå, brød en specielt designet drop-down gondol sammen. Fysikerne havde intet andet valg end at vende tilbage til bådene og vente på, at det blev repareret.
”Jeg forstod ikke med det samme, da jeg lå på ryggen i denne båd og talte med de andre, hvordan en lille del af mit hår, bogstaveligt talt ikke mere end tre centimeter langt, rørte ved dette vand,” siger Malek.
Da de flød inde i Super-Kamiokande, og forskerne ovenpå reparerede gondolen, var Malek ikke bekymret for noget. Han blev bekymret tidligt næste morgen og indså, at der var sket noget forfærdeligt.
”Jeg vågnede kl. 3 fra en uudholdelig kløe på hovedet. Det var sandsynligvis den værste kløe, jeg nogensinde har oplevet i mit liv. Værre end skoldkopper, som jeg havde som barn. Det var så forfærdeligt, at jeg simpelthen ikke kunne sove mere,”fortsatte videnskabsmanden.
Malek indså, at en dråbe vand, der faldt på spidsen af hans hår, "sugede tør" alle næringsstoffer fra dem, og deres mangel nåede hans kranium. Han skyndte sig i brusebadet og tilbragte mere end en halv times tid der ved at prøve at få håret tilbage.
En anden historie blev fortalt af Vasco. Han hørte, at personale i løbet af vedligeholdelse i 2000 skyllede vand fra tanken og fandt konturen af en skruenøgle i bunden.
”Tilsyneladende blev denne nøgle ved et uheld efterladt af en af medarbejderne, da de fyldte tanken med vand i 1995. Efter at have skyllet vand i 2000 fandt de, at nøglen var opløst."
Super-Kamiokande 2.0
På trods af det faktum, at "Super-Kamiokande" allerede er en meget stor neutrino-detektor, har forskere foreslået at oprette en endnu større installation kaldet "Hyper-Kamiokande".
”Hvis vi får godkendelse til opførelsen af Hyper-Kamiokande, vil detektoren være klar til drift omkring 2026,” siger Vasco.
I henhold til det foreslåede koncept vil Hyper-Kamiokande-detektoren være 20 gange større end Super-Kamiokande. Det er planlagt at bruge omkring 99.000 fotomultiplikatorer.
Nikolay Khizhnyak