Kamiokande z Japonii, podziemny wykrywacz cząstek neutrina

Super-Kamiokande to pułapka. Nie na ludzi, ale na jedne z najbardziej nieuchwytnych cząstek elementarnych we Wszechświecie. To neutrina. Szybkie, lekkie cząstki elementarne generowane przy każdym połączeniu się lub rozpadzie jąder atomowych. Powstają w gwiazdach, w reaktorach atomowych... ale nawet w bananach, które zawierają niewielkie ilości lekko radioaktywnego potasu.

Neutrina są najpowszechniejszymi posiadającymi masę cząstkami we Wszechświecie, ale badanie ich jest niezwykle trudne. Po prostu nie mają ochoty reagować z innymi składnikami materii i potrafią zazwyczaj przelecieć przez Ziemię jak F-16 przez poranną mgiełkę.

Czasami, niezwykle rzadko, neutrino zderza się z czymś innym, zazwyczaj jakimś atomem, który znalazł się w niewłaściwym czasie i niewłaściwym miejscu. Dla każdego indywidualnego neutrina prawdopodobieństwo, że się z czymś zderzy, jest niezwykle niskie, bo Wszechświat, nawet na skali cząstek elementarnych, składa się głównie z pustej przestrzeni. Ale neutrin jest naprawdę dużo. Co sekundę przez twoje ciało przenika ich około 100 bilionów. A przy tak wielkich liczbach nawet to, co niezwykle nieprawdopodobne, musi zdarzać się z dużą regularnością.

Super Kamiokande powstało, by wyłapywać konsekwencje takich zderzeń. To wielki, liczący około 40 metrów wysokości i średnicy zbiornik, pogrzebany kilometr pod ziemią w starej kopalni pod górą Ikeno w japońskiej prefekturze Gifu. Gdy detektor działa, wewnątrz panuje absolutna ciemność, a gruba warstwa skał izoluje urządzenie od większości form zewnętrznego promieniowania - poza neutrinami.

Ogromna cysterna wypełniona jest 50 tysiącami ton ultraczystej wody. Cała zawartość zbiornika, już w punkcie wyjścia czysta, bo pochodząca z najgłębszych źródeł w kopalni pozostaje w obiegu zamkniętym i jest stale filtrowana z prędkością 30 ton na godzinę. Woda jest pozbawiona zanieczyszczeń, ale od 2020 r. jest wzbogacona o domieszkę: dodatek rzadkiego pierwiastka, gadolinu, ma ułatwiać prowadzenie obserwacji. Ściany całego zbiornika pokrywają charakterystyczne wybrzuszenia przypominające jaja Obcych - to ultraczułe detektory światła.

Neutrina poruszają się ekstremalnie szybko - niemal z prędkością światła. A zderzenia przy takich prędkościach muszą być spektakularne, nawet kiedy mówimy o obiektach tak małych, jak cząstki elementarne. Kiedy neutrino zderza się z atomem wody, uderzenie może wyrzucić z atomu elektrony albo pozytrony. Robi to z taką siłą, że pechowy elektron przez chwilę porusza się z prędkością... przekraczającą prędkość światła (prędkość światła jest najwyższą możliwą do osiągnięcia w Einsteinowskiej fizyce, ale ten limit odnosi się wyłącznie do prędkości światła w próżni; jego prędkość w wodzie jest zdecydowanie niższa, dzięki czemu elektron może ją przekroczyć, nie łamiąc praw fizyki). To powoduje powstanie tzw. promieniowania Czerenkowa - niebieskiej poświaty, która jest optycznym odpowiednikiem boomu dźwiękowego towarzyszącego przekraczaniu przez samolot prędkości dźwięku. Poświata jest niezwykle słaba i krótkotrwała, ale 15 tys. czujników na ścianach zbiornika czeka tylko na nią. Dane zarejestrowane przez nie pozwalają ustalić kierunek, z którego nadleciało neutrino i jego dokładny rodzaj.

Badanie neutrin ma wiele zastosowań. Od prób zrozumienia najbardziej podstawowych praw fizyki, przez badanie działania wewnętrznych systemów naszego Słońca, po detekcję wybuchów supernowych, które wyrzucają z siebie prawdziwe morze neutrin. Super-Kamiokande jest najdokładniejszym detektorem neutron na świecie, badania w podziemnym laboratorium prowadzą więc fizycy z całego świata, w tym z Polski. W 2015 r. Takaaki Kajita, jeden z badaczy z “Super-K" został uhonorowany Noblem z fizyki za potwierdzenie tego, że neutrina, choć niezwykle lekkie, jednak mają masę.

“Super-K" działa już od 1996 r. Dla fizyków trzy dekady to niemal wieczność. Dlatego japoński rząd, w porozumieniu z partnerami z Europy i USA, zaczął przygotowania do budowy jego następcy. Hiper-Kamiokande ma być pięciokrotnie większy od i tak ogromnego poprzednika: jego 70-metrowy zbiornik, umieszczony w skałach kilka kilometrów od istniejącego detektora, pomieści 260 tysięcy ton wody.  I, jak mają nadzieję fizycy, przyniesie przełomowe odkrycia dotyczące neutrin.

Może też, na co po cichu liczą fizycy, zupełnie wysadzić w powietrze istniejące modele opisujące zachowanie najmniejszych cząstek Wszechświata. Nowy detektor ma być tak precyzyjny, że może zaobserwować spontaniczny rozpad protonów w jądrach atomowych. Obserwacja tego zjawiska byłaby prawdziwą rewolucją. Obowiązujący tzw. Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych nie dopuszcza rozpadu protonu, ale wiele teorii, które potencjalnie mogłyby go zastąpić, przewiduje, że do takiego zjawiska mogłoby dochodzić, choć niezwykle rzadko: średni czas życia protonu ma wynosić ponad 1034 lat. Ponieważ Hyper-K będzie monitorować znacznie większą objętość wody niż Super-K, będzie miał większą szansę na zaobserwowanie tego zjawiska. Jeśli go nie zaobserwuje, limit średniego czasu życia protonu wzrośnie dziesięciokrotnie.

To jednak będzie kosztować. Rząd Japonii zarezerwował już na budowę Hyper-kamiokande 32 mln dol. To dopiero początek, bo cały projekt ma być dwudziestokrotnie droższy.

Chociaż rząd nie wydał jeszcze oficjalnego oświadczenia w sprawie zatwierdzenia, kilku naukowców powiedziało Nature, że rząd tego kraju zatwierdził pierwszą transzę 3,5 mld jenów (32 mln USD) na budowę w ramach dodatkowego budżetu na bieżący rok budżetowy — która kończy się w marcu — podczas spotkania w piątek. Oczekuje się, że budowa detektora będzie kosztować 64,9 miliarda jenów, czyli około 600 milionów dolarów. Pierwsze dane z nowego detektora mają zacząć spływać w 2027 r.