Нейтринный детектор Супер Камиоканде

Как утверждают люди, хорошо знающие Японию и японцев, они очень любят все, что существует в этом мире с приставкой «супер». И сами стараются производить продукцию, к которой эта приставка подходит очень хорошо. И надо признать, что у них хорошо получается производить подобную продукцию. Но что же такое супер-Камиоканде? Судя по названию, это не супер игра, это огромная обсерватория, находящаяся под землей. И, кстати, многие в Японии называют ее просто, как старого друга – супер-К. Выполнена эта подземная обсерватория в форме цилиндра, диаметр которого 39 метров, а высота – 41 метр. Для чего же она предназначена? В ней исследуют элементарные частицы, которые не имеют заряда и практически не имеют массы. Это нейтрино.

SuperKamiokande (или Super-K) — нейтринный детектор, являющийся модернизированной моделью Kamiokande-II. Он размещен в японской лаборатории на глубине в 1000 метров в цинковой шахте Камиока, в 180 милях к северу от Токио. Строительство детектора производилось консорциумом американских и японских исследователей, и было завершено в 1996 году.

Детектор SuperKamiokande представляет собой резервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тоннами специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11146 фотоумножителей (ФЭУ). Также детектор оснащен огромным количеством электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудованием для очистки воды. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс, который затем обрабатывает специальная электронная система.

Открытие нейтрино было связано с уверенностью исследователей в справедливости фундаментальных законов физики — законов сохранения. В самом начале XX века при изучении бета-распада радиоактивных ядер физики, как скурпулезные бухгалтеры, старались свести баланс энергии. Но он никак не сходился: часть энергии исчезала неведомо куда. Таким образом, под угрозой оказался один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии.

Спас положение швейцарский физик Вольфганг Паули, в 1930 году высказавший предположение, что при бета-распаде вместе с электроном рождается какая-то частица — невидимка, которая и уносит недостающую часть энергии. Незамеченной эта частица остается потому, что не имеет массы покоя и электрического заряда и не способна отрывать электроны от атома или расщеплять ядра, иными словами, не может производить те эффекты, по которым лбычно судят о появлении частицы. К тому же она очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую толщу вещества, не обнаруживая себя.
В те годы, когда ученым были известны только электрон, протон и фотон, для подобного предположения была нужна большая научная смелость. После открытия в 1932-м тяжелой нейтральной частицы — нейтрона — итальянский физик Энрико Ферми предположил называть частицу, охарактеризованную Паули, «нейтрино», что буквально означает «нейтрончик». Наблюдение реакций, связанных с нейтрино, стало возможным только после создания ядерных реакторов. Физики-ядерщики многих стран пытались экспериментально подтвердить существование теоретически «вычисленной» частицы. Ведь для окончательного доказательства существования нейтрино нyжно было увидеть его непосредственное воздействие на вещество.

К 2000-му году было теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино. Однако это отнюдь не означает завершения исследований в области изучения физики этих частиц. Ученым не терпится узнать, обладает ли нейтрино массой, поскольку результат этих исследований может серьезно поколебать стройную структуру Стандартной модели материи.

Ноябрь 2001 года принес печальное известие для мировой физики: в Японии вышел из строя один из крупнейших в мире нейтринных детекторов Super-Kamiokande .

Гигантская конструкция, находящаяся на дне шахты километровой глубины, представляет собой цистерну, вмещающую 50 тысяч тонн воды. На стенах цистерны размещены 9 тысяч фотоумножителей — хрупких вакуумных приборов, регистрирующих слабые вспышки света, возникающие при столкновении нейтрино с электронами в водной толще. Инцидент, случившийся 12 ноября, начался со взрыва одного из фотоумножителей — предположительно из-за слишком большого давления воды на прибор. Вызванная взрывом ударная волна привела к возникновению цепной реакции и разрушению семи тысяч умножителей.

По словам ученых, на восстановление комплекса потребуется как минимум год и около 30 млн. долларов — каждый из взорвавшихся приборов стоит почти 3 тысячи. Впрочем, запустить детектор планируется как можно раньше — возможно, уже после восстановления его наполовину. Известность Super-Kamiokande принес эксперимент 1998 года, в ходе которого были обнаружены признаки наличия массы у нейтрино. Над подтверждением этих результатов и работали в последнее время исследователи из обсерватории Камиока, которой принадлежит детектор. — Е.З.

Вот видео:

На сегодняшний момент большинство наших знаний о Вселенной получено из наблюдений фотонов. Фотоны обильно вырабатываются, стабильны и электрически нейтральны, их просто обнаружить в широкой области энергий, а их спектры несут детальную информацию о химических и физических свойствах источников. Но горячие плотные области в ядрах звезд, ядра активных галактик и других энергетичных астрофизических источников для фотонов непрозрачны.

Обнаружение космических источников нейтрино может пролить свет на физику экзотических астрономических объектов, таких как экстремально мощные активные ядра галактик или таинственные гамма-вспышки, и помочь сделать шаг вперед в понимании загадки темной материи. Одна из интереснейших и труднейших задач для физиков и астрономов — «поймать» нейтрино внеземного происхождения, и прежде всего измерить поток нейтрино от Солнца, что позволит подтвердить теоретические гипотезы о механизмах реакций, обеспечивающих его светимость.

Для нейтрино солнечного вещества как будто и не существует: они улетают с места возникновения по прямолинейной траектории, нигде и ничем не отклоняясь, многие из них достигают поверхности 3емли. Не имеет значения, день стоит или ночь: днем нейтрино прилетают сверху, а ночью — снизу, свободно пронзая земной шар. К счастью, существуют изотопы, с помощью которых можно устроить для нейтрино хоть и небольшое, но заметное препятствие. Наиболее известным из них является хлор-37. В тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с ядром атома хлора, это ядро испускает электрон и возникает атомное ядро радиоактивного аргона, которое распадается через 35 дней. Используя эту реакцию, можно построить детектор для солнечных нейтрино, который, чтобы компенсировать редкость таких столкновений, должен иметь большие размеры и для защиты от фонового излучения находиться глубоко под землей.

Решение проблемы дефицита солнечных нейтрино, и в частности исследование нейтринных осцилляций, также требует независимых измерений потока электронных нейтрино и мюонных и тау-нейтрино. В 1998 году участники эксперимента «Суперкамиоканде» заявили о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции. Обнаружение осцилляций нейтрино стало свидетельством наличия у нейтрино массы покоя. А потому последующие нейтринные эксперименты ставили своей основной целью поиск осцилляций нейтрино. Такие преобразования стали свидетельствовать о наличии у нейтрино массы покоя. Оказалось, что все нейтрино Вселенной весят примерно столько же, сколько все видимые звезды.