"Золотая" камера в Японии, наполненная водой, помогает ученым обнаруживать умирающие звезды

Гора Икено в Японии примечательна тем, что под ней на глубине в один километр спрятано уникальное сооружение. "Супер-Камиоканде" (или сокращенно "Супер-К") является детектором нейтрино, субатомных частиц, свободно перемещающихся в пространстве и проходящих сквозь любые вещества без каких-либо проблем. Изучая эти частицы, ученые обнаруживают умирающие звезды и узнают новые сведения о нашей Вселенной.

Изучение субатомного мира

Обнаружение нейтрино - очень сложная задача, настолько, что американский астрофизик Нил Деграсс Тайсон считает, что это «самая неуловимая добыча в космосе». Специальная камера, позволяющая их обнаружить, располагается глубоко под землей. Это помогает исключить попадание в нее других частиц. Материя не является препятствием для нейтрино. По словам Тайсона, эти частицы могли бы в течение сотен световых лет проходить сквозь сплошной слой стали, даже не замедляясь.

Зачем их ловить

Доктор Йоши Учида, работающий в Имперском колледже в Лондоне, пояснил, что в том случае, если есть сверхновая звезда, превращающаяся в черную дыру, прибор наподобие "Супер-К" - один из немногих объектов, который сможет обнаружить ее нейтрино. До момента своего разрушения звезда испускает нейтрино, поэтому "Супер-К" фактически является своего рода системой раннего предупреждения, оповещая ученых, когда они могут наблюдать за этим невероятным событием.

Согласно расчетам ученых, каждые 30 лет в пределах видимости детекторов происходит взрыв сверхновой. Таким образом, если ученые пропустят одно такое событие, они будут вынуждены ждать еще несколько десятилетий, чтобы наблюдать следующее.

Отправление нейтрино

"Супер-К" предназначен не только для того, чтобы улавливать нейтрино, которые появляются из космоса. В другом конце страны, в Токае, расположен аппарат T2K. Он запускает пучок нейтрино, который проходит расстояние в 295 км через землю, а на западе Японии его принимает "Супер-К". Изучение изменений (или колебаний) нейтрино, которые проходят сквозь толщу земли, помогает изучать вопросы, связанные с происхождением Вселенной, например проблему взаимосвязи материи и антиматерии.

По словам доктора Моргана Васко, представляющего Имперский колледж, созданные учеными модели большого взрыва указывают на то, что материя и антивещество первоначально должны были существовать в равных частях. Однако теперь по какой-то причине большая часть антивещества исчезла. Благодаря изучению нейтрино ученые попытаются выяснить, как это произошло.

Захват нейтрино

"Супер-Камиоканде" - это огромное устройство размером с 15-этажное здание.

В огромный резервуар заливают 50 000 тонн сверхчистой воды. Это связано с тем, что при перемещении сквозь толщу воды скорость нейтрино превышает скорость света. Поэтому, двигаясь в воде, как утверждает доктор Учида, эти частицы будут излучать свет точно так же, как сверхзвуковой самолет «Конкорд» в полете создавал ударную волну.

Самолет, скорость которого больше скорости звука, будет создавать большую ударную волну. Соответственно, частица, которая проходит через воду, при условии, что ее скорость больше скорости света в воде, также может вызвать ударную волну света.

Внутри камеры расположены 11 000 золотистых лампочек. Это сверхчувствительные детекторы света, которые называются Photo Multiplier Tubes (PMT), именно они улавливают эти ударные волны.

Доктор Васко называет их «инверсионными лампочками». С их помощью можно обнаружить даже очень небольшое количество света и преобразовать его в электрический ток.

Очень чистая вода

Свет ударных волн от нейтрино может без помех достичь датчиков только в том случае, если вода будет абсолютно чистой. В "Супер-К" она постоянно фильтруется и повторно очищается, а также обеззараживается ультрафиолетом. Все эти процедуры делают ее довольно жуткой. Сверхчистая вода, по словам доктора Учида, может доставить неприятности. Она имеет свойства кислоты и щелочи.

Обслуживание "Супер-К"

Для этого исследователи вынуждены выходить на резиновых лодках, чтобы починить и заменить датчики. Из лодок ученые могут осматривать PMT. Постепенно уровень воды снижается, так что исследователи могут по очереди добраться до каждого куполообразного PMT.

Доктор Мэтью Малек вместе с двумя другими сотрудниками проводили техобслуживание с лодки, еще когда были аспирантами. Однажды, в конце рабочего дня, из-за поломки гондолы, доставляющей ученых в резервуар и обратно, они некоторое время провели в ожидании. «Я даже не понял, что почти все это время мои волосы, вероятно, не более трех сантиметров, оказались опущены в воду», - сказал Малек в своем интервью. Сразу он даже не подумал о этом. Но, проснувшись в 3 часа ночи на следующий день, он понял весь ужас произошедшего. У него невероятно зудела кожа головы. Это было хуже, чем ветрянка в детстве. Он просто не мог спать из-за этого.

Он понял, что вода вытянула питательные вещества не только из волос, но и из кожи головы. Он потратил много времени на восстановление волос.

Еще одну историю рассказал доктор Васко. В 2000 году, когда резервуар был полностью опустошен, исследователи обнаружили внизу контур гаечного ключа. Видимо, кто-то из сотрудников забыл его перед тем, как резервуар был заполнен в 1995 году. За 5 лет он полностью разложился.

"Супер-К 2.0"

"Супер-Камиоканде" может показаться очень массивным, но доктор Васко сказал , что ученые предложили создать детектор нейтрино гораздо большего размера, который собираются назвать «Гипер-Камиоканде». Ученые в настоящее время добиваются одобрения эксперимента с "Гипер-Камиоканде", и он должен начаться примерно в 2026 году.

"Гипер-К" будет в 20 раз больше своего предшественника с точки зрения мощности, и задействованы около 99 тысяч световых детекторов вместо нынешних одиннадцати.