Slēpts 1 km dziļumā zem Ikeno kalna Kamioka cinka raktuvē, kas atrodas 290 km uz ziemeļiem no Tokijas (Japāna), ir vieta, par kuru jebkurš filmas superviņš vai supervaroņa sirsnīgs sapņotu kā viņa meitene. Šeit atrodas "Super-Kamiokande" (vai "Super-K") - neitrīno detektors. Neitrīni ir subatomiskas pamatdaļiņas, kas ļoti vāji mijiedarbojas ar parasto matēriju. Viņi spēj iekļūt absolūti visā un visur. Šo pamatdaļiņu ievērošana palīdz zinātniekiem atrast sabrukušās zvaigznes un uzzināt jaunu informāciju par mūsu Visumu. Business Insider runāja ar trim Super-Kamiokande stacijas darbiniekiem un uzzināja, kā šeit viss darbojas un kādus eksperimentus šeit veic zinātnieki.
Iegremdēšanās subatomiskajā pasaulē
Neitrīnus ir ļoti grūti atklāt. Tik grūti, ka slavenais amerikāņu astrofiziķis un zinātnes popularizētājs Neils DeGrasse Tisons kādreiz viņus nosauca par "visnepieejamāko laupījumu kosmosā".
“Materiāls nerada šķēršļus neitrīniem. Šīs subatomiskās daļiņas spēj iziet cauri simtiem gaismas gadu metāla un pat palēnināties,”sacīja Degrass Tisons.
Bet kāpēc zinātnieki tos pat mēģina noķert?
“Kad notiek supernovas sprādziens, zvaigzne sabrūk sevī un pārvēršas melnajā caurumā. Ja šis notikums notiek mūsu galaktikā, tad neitrīno detektori, piemēram, tas pats "Super-K", spēj uztvert neitrīnus, kas izdalās šī procesa ietvaros. Pasaulē ir ļoti maz šādu detektoru,”skaidro Joša Učida no Londonas Imperiālās koledžas.
Pirms zvaigznes sabrukšanas tā izmet neitrīnus visos kosmosa virzienos, un tādas laboratorijas kā Super-Kamiokande kalpo kā agrīnās brīdināšanas sistēmas, kas zinātniekiem norāda, kurā virzienā meklēt, lai redzētu pēdējos zvaigžņu dzīves mirkļus.
Reklāmas video:
“Vienkāršoti aprēķini saka, ka supernovas eksplozijas rādiuss, kurā mūsu detektori tos var atklāt, notiek tikai reizi 30 gados. Citiem vārdiem sakot, ja nokavējat vienu, pirms nākamā notikuma jums būs jāgaida vidēji vairākas desmitgades,”saka Uchida.
Super-K neitrīno detektors ne tikai uztver neitrīnus, kas to skāra tieši no kosmosa. Turklāt neitrīnus uz to pārraida no T2K eksperimentālās iekārtas, kas atrodas Tokai pilsētā, Japānas pretējā daļā. Nosūtītajam neitrīno gaismai ir jānoiet aptuveni 295 kilometri, pēc kura tas nonāk Super-Kamiokande detektorā, kas atrodas valsts rietumu daļā.
Novērojot, kā neitrīni mainās (vai svārstās), pārvietojoties matērijai, zinātniekiem var vairāk pastāstīt par Visuma dabu, piemēram, par matērijas un antimateriāla attiecībām.
“Mūsu Lielā sprādziena modeļi liek domāt, ka matērija un antimateriāls ir jārada vienādās proporcijās,” Business Insider sacīja Morgans Vasko no Londonas Imperiālās koledžas.
“Tomēr antimateriāla galvenā sastāvdaļa kāda vai cita iemesla dēļ pazuda. Ir daudz vairāk parastu lietu nekā antimateriāls."
Zinātnieki uzskata, ka neitrīnu izpēte var būt viens no veidiem, kā beidzot tiks atrasta atbilde uz šo mīklu.
Kā Super Kamiokande noķer neitrīnus
Atrodas 1000 metru pazemē, Super Kamiokande ir kaut kas līdzīgs šim, 15 stāvu ēkas izmērs.
Super-Kamiokande neitrīno detektora shēma.
Milzīga cilindra formas nerūsējošā tērauda tvertne ir piepildīta ar 50 tūkstošiem tonnu īpaši attīrīta ūdens. Caur šo ūdeni neitrīno pārvietojas ar gaismas ātrumu.
"Neitrīni, kas nonāk rezervuārā, rada gaismu pēc modeļa, kas līdzīgs tam, kā Concorde pārkāpa skaņas barjeru," saka Uchida.
“Ja lidmašīna pārvietojas ļoti ātri un pārkāpj skaņas barjeru, tad aiz tās tiek izveidots ļoti spēcīgs triecienvilnis. Tāpat neitrīni, kas iet cauri ūdenim un pārvietojas ātrāk nekā gaismas ātrums, rada gaismas trieciena vilni,”skaidro zinātnieks.
Tvertnes sienās, griestos un apakšā ir uzstādīti nedaudz vairāk kā 11 000 īpašu apzeltītu "spuldzīšu". Tos sauc par fotopavairotājiem un ir ļoti jutīgi pret gaismu. Tieši viņi uztver šos neitrīno radītos gaismas trieciena viļņus.
Fotopapildinātāji izskatās šādi.
Morgans Vasko tos raksturo kā "aizmugurējās spuldzes". Šīs ierīces ir tik jutīgas, ka pat ar viena gaismas kvanta palīdzību tās spēj radīt elektrisku impulsu, kuru pēc tam apstrādā ar īpašu elektronisko sistēmu.
Nedzeriet ūdeni, jūs kļūsit par kazlēnu
Lai gaisma no triecienviļņiem, ko rada neitrīni, nonāktu sensoros, tvertnes ūdenim jābūt kristāldzidram. Tik tīrs, ka pat nevar iedomāties. Super-Kamiokanda iziet pastāvīgu īpašas daudzlīmeņu tīrīšanas procesu. Zinātnieki to pat apstaro ar ultravioleto gaismu, lai iznīcinātu visas iespējamās baktērijas tajā. Tā rezultātā viņa kļūst tāda, ka jau uzņem šausmas.
“Īpaši attīrīts ūdens var izšķīdināt jebko. Īpaši attīrīts ūdens šeit ir ļoti, ļoti nepatīkama lieta. Tam ir skābes un sārmu īpašības,”saka Uchida.
“Pat šī ūdens piliens var radīt jums tik daudz nepatikšanas, ka jūs pat sapņojat,” piebilst Vasko.
Cilvēki kuģo ar laivu Super-Kamiokande rezervuāra iekšpusē.
Ja, piemēram, ir jāveic apkope tvertnes iekšpusē, lai aizstātu neizdevušos sensorus, pētniekiem jāizmanto gumijas laiva (attēlā iepriekš).
Kad Metjū Malēks bija Šefīldas universitātes absolvents, viņam un vēl diviem studentiem bija "paveicies" veikt līdzīgu darbu. Līdz darba dienas beigām, kad bija pienācis laiks pacelties augšstāvā, speciāli izveidotā nolaižamā gondola sabojājās. Fizikiem nebija citas izvēles kā atgriezties laivās un gaidīt, kamēr tā tiks salabota.
“Es uzreiz nesapratu, kad guļu uz muguras šajā laivā un runāju ar citiem, kā neliela daļa manu matu, burtiski ne vairāk kā trīs centimetru garumā, pieskārās šim ūdenim,” stāsta Malēks.
Tā kā viņi peldēja Super-Kamiokande iekšpusē un zinātnieki augšstāvā remontēja gondolu, Malēks par neko neuztraucās. Nākamā rīta agri viņš uztraucās, saprotot, ka ir noticis kaut kas briesmīgs.
“Es pamodos pulksten 3 rītā no nepanesama niezes uz manas galvas. Tas, iespējams, bija vissliktākais nieze, ko jebkad esmu pieredzējis savā dzīvē. Sliktāk nekā vējbakas, kas man bija kā bērnam. Tas bija tik briesmīgi, ka es vienkārši vairs nevarēju gulēt,”turpināja zinātnieks.
Maleks saprata, ka ūdens piliens, kas nokrita uz viņa matu galiņa, “noņēma sausas” no tām visas barības vielas un to deficīts sasniedza viņa galvaskausu. Viņš steigšus metās dušā un tur pavadīja vairāk nekā pusstundu, cenšoties atgūt matus.
Citu stāstu stāstīja Vasko. Viņš dzirdēja, ka 2000. gadā apkopes laikā personāls izskaloja ūdeni no tvertnes un apakšā atrada uzgriežņu atslēgas kontūru.
“Acīmredzot šo atslēgu nejauši atstāja kāds no darbiniekiem, 1995. gadā piepildot tvertni ar ūdeni. Pēc skalošanas 2000. gadā viņi atklāja, ka atslēga ir izšķīdusi."
Super-Kamiokande 2.0
Neskatoties uz to, ka "Super-Kamiokande" jau ir ļoti liels neitrīno detektors, zinātnieki ir ierosinājuši izveidot vēl lielāku instalāciju ar nosaukumu "Hyper-Kamiokande".
“Ja mēs saņemam apstiprinājumu Hyper-Kamiokande celtniecībai, tad detektors būs gatavs darbam ap 2026. gadu,” saka Vasko.
Saskaņā ar ierosināto koncepciju Hyper-Kamiokande detektors būs 20 reizes lielāks nekā Super-Kamiokande. Plānots izmantot aptuveni 99 000 fotopavairotāju.
Nikolajs Khizhnyak