Gömd på ett djup på 1 km under Mount Ikeno, i Kamioka zinkgruva, 290 km norr om Tokyo (Japan), finns det en plats som alla övervakningar från någon film eller en superhjälthistoria skulle drömma om som hans lera. Här är "Super-Kamiokande" (eller "Super-K") - en neutrino detektor. Neutrino är subatomära grundpartiklar som interagerar mycket svagt med vanligt ämne. De kan penetrera absolut allt och överallt. Att observera dessa grundläggande partiklar hjälper forskare att hitta kollapsande stjärnor och lära sig ny information om vårt universum. Business Insider pratade med tre anställda på Super-Kamiokande-stationen och fick reda på hur allt fungerar här och vilka experiment forskare gör här.
Kasta i en subatomär värld
Neutrino är mycket svårt att upptäcka. Så svårt att den berömda amerikanska astrofysikeren och populariseraren av vetenskapen Neil DeGrasse Tyson en gång kallade dem "det svåraste bytet i rymden."
”Matter representerar inget hinder för neutrino. Dessa subatomära partiklar kan passera hundratals ljusår av metall och inte ens sakta ner, säger Degrass Tyson.
Men varför försöker forskare till och med fånga dem?
”När en supernovaexplosion inträffar kollapsar stjärnan i sig själv och förvandlas till ett svart hål. Om denna händelse inträffar i vår galax, kan neutrino detektorer som samma "Super-K" fånga de neutriner som släpps ut som en del av denna process. Det finns väldigt få sådana detektorer i världen, förklarar Yoshi Uchida från Imperial College London.
Innan en stjärna kollapsar, kastar den ut neutrinoer i alla rymdsriktningar, och laboratorier som Super-Kamiokande fungerar som tidiga varningssystem som säger forskare vilken riktning de ska se för att se de sista ögonblicken i stjärnlivet.
Kampanjvideo:
”Förenklade beräkningar säger att händelser av en supernovaexplosion i radien där våra detektorer kan upptäcka dem, endast inträffar vart tredje år. Med andra ord, om du missar en måste du vänta i genomsnitt flera decennier innan nästa evenemang, säger Uchida.
Super-K neutrino detektor hämtar inte bara neutrino som träffar den direkt från rymden. Dessutom överförs neutrino till den från T2K-experimentanläggningen i Tokai, i motsatt del av Japan. Den skickade neutrino-strålen måste resa cirka 295 kilometer, varefter den kommer in i Super-Kamiokande-detektorn i den västra delen av landet.
Att observera hur neutrinoer förändras (eller oscillerar) när de reser genom materien kan berätta forskare mer om universums natur, som förhållandet mellan materia och antimateria.
"Våra Big Bang-modeller föreslår att materie och antimateria måste skapas i lika stora proportioner," berättade Morgan Vasco från Imperial College London till Business Insider.
Men huvuddelen av antimaterialet, av någon eller annan anledning, försvann. Det finns mycket mer vanlig materia än antimateria."
Forskare tror att studien av neutrino kan vara ett av de sätt på vilka svaret på denna gåta äntligen kommer att hittas.
Hur Super Kamiokande fångar neutrino
Super Kamiokande ligger 1 000 meter under jord och är något liknande som storleken på en byggnad med 15 våningar.
Schematisk över Super-Kamiokande neutrino detektor.
En enorm cylinderformad rostfri tank är fylld med 50 tusen ton speciellt renat vatten. Att passera genom detta vatten neutrino rör sig med ljusets hastighet.
"Neutrinoer som kommer in i reservoaren producerar ljus i ett mönster som liknar hur Concorde bröt ljudbarriären," säger Uchida.
”Om planet rör sig mycket snabbt och bryter ljudbarriären skapas en mycket kraftfull chockvåg bakom det. På samma sätt skapar neutrinoer som passerar genom vatten och rör sig snabbare än ljusets hastighet en lätt chockvåg,”förklarar forskaren.
Det finns drygt 11 000 specialförgyllda "glödlampor" installerade på tankens väggar, tak och botten. De kallas fotomultiplikatorer och är mycket ljuskänsliga. Det är de som fångar dessa ljuschockvågor skapade av neutrinoerna.
Fotomultiplikatorer ser ut så här.
Morgan Vasco beskriver dem som "bakljuslampor". Dessa enheter är så överkänsliga att även med hjälp av en ljus kvant kan de generera en elektrisk impuls, som sedan bearbetas av ett speciellt elektroniskt system.
Drick inte vatten, du kommer att bli ett barn
För att ljus från chockvågor som genereras av neutrino för att nå sensorerna måste vattnet i tanken vara kristallklart. Så ren att du inte ens kan föreställa dig. Hos Super-Kamiokanda genomgår det en ständig process med speciell rengöring på flera nivåer. Forskare bestämmer till och med det med ultraviolett ljus för att döda alla möjliga bakterier i den. Som ett resultat blir hon sådan att hon redan tar skräck.
”Ultrenat vatten kan lösa vad som helst. Ultrenat vatten är en mycket, mycket obehaglig sak här. Det har sura och alkaliska egenskaper, säger Uchida.
"Även en droppe av det här vattnet kan orsaka dig så mycket besvär att du aldrig drömt om," tillägger Vasco.
Människor seglar på en båt inuti Super-Kamiokande reservoar.
Om det är nödvändigt att utföra underhåll inuti tanken, till exempel för att ersätta givna sensorer, måste forskarna använda en gummibåt (bilden ovan).
När Matthew Malek var en doktorand vid University of Sheffield var han och två andra studenter "lyckliga" att genomföra liknande arbete. I slutet av arbetsdagen, när det var dags att gå upp, bröt en specialdesignad dropdown-gondol ned. Fysikerna hade inget annat val än att återvända till båtarna och vänta på att den skulle repareras.
"Jag förstod inte omedelbart när jag låg på ryggen i den här båten och pratade med andra, hur en liten del av mitt hår, bokstavligen inte mer än tre centimeter långt, rörde det här vattnet," säger Malek.
När de flöt in i Super-Kamiokande och forskarna på övervåningen reparerade gondolen var Malek inte orolig för någonting. Han blev orolig tidigt nästa morgon och insåg att något hemskt hade hänt.
”Jag vaknade klockan 3 från en outhärdlig klåda i huvudet. Det var förmodligen den värsta klåda som jag någonsin har upplevt i mitt liv. Värre än vattkoppor, som jag hade som barn. Det var så hemskt att jag helt enkelt inte kunde sova längre, fortsatte forskaren.
Malek insåg att en droppe vatten som träffade spetsen på håret "sugde torr" alla näringsämnen från dem och deras brist nådde hans skalle. Han rusade snabbt till duschen och tillbringade mer än en halvtimme där och försökte få tillbaka håret.
En annan historia berättades av Vasco. Han hörde att under 2000, underhåll, spolade personalen vatten från tanken och hittade konturen av en skiftnyckel längst ner.
”Tydligen lämnades den här nyckeln av misstag av en av de anställda när de fyllde tanken med vatten 1995. Efter att ha spolat vatten år 2000 fann de att nyckeln hade upplösts."
Super-Kamiokande 2.0
Trots att "Super-Kamiokande" redan är en mycket stor neutrino-detektor, har forskare föreslagit att skapa en ännu större installation som kallas "Hyper-Kamiokande".
"Om vi får godkännande för byggandet av Hyper-Kamiokande, kommer detektorn att vara klar för drift runt 2026," säger Vasco.
Enligt det föreslagna konceptet kommer Hyper-Kamiokande-detektorn att vara 20 gånger större än Super-Kamiokande. Det planeras att använda cirka 99 000 fotomultiplikatorer.
Nikolay Khizhnyak
