Нові можливості японського супердетектора нейтрино

У Японії міжнародна команда вчених, що працюють на знаменитому детекторі нейтрино води Super-Kamiokande (SK), оголосила про успішне завершення важливого кроку в її вдосконаленні. Ефект був досягнутий завдяки впровадженню в систему специфічного рідкісноземельного елемента — гадолінію, що забезпечує центру цілком нові можливості дослідження. Незабаром це дозволить фізикам з усього світу, в тому числі Польщі, знімати сигнали нейтрино від вибухів наднової води, що виникають на ранніх стадіях Всесвіту.

Нові дослідницькі можливості були досягнуті шляхом додавання сполук гадолінію до детекторного резервуару, що містить 50 мільйонів літрів кристально чистої води. Гадолін (Gd) — рідкісний земний елемент з атомним числом 64. Окрім своєї високої спорідненості до захоплення нейтронів (високий поперечний переріз для захоплення), Gd має високий магнітний момент і використовується як контрастний агент при МРТ (магнітно-резонансна томографія). Як складова системи СК вона дозволить спостерігати за нейтронами, що утворюються при взаємодії високоенергетичних антинейтрино з водою, завдяки чому на початку історії Всесвіту можна буде записувати антинейтрино, що утворюється при вибухах наднової.

Нейтрино — майже безмасштабні частинки, що подорожують зі швидкістю світла — є найбільш загадковою складовою речовини. Вони наполегливі, у трьох "типах", але коливаються, змінюючи свою ідентичність під час подорожі від джерела до детектора. Хоча у Всесвіті та навіть на Землі утворюється велика їх кількість, їх спостерігати надзвичайно важко, оскільки вони рідко взаємодіють із матерією. Це також їх головна привабливість, оскільки завдяки їх незначній взаємодії з матеріальним центром вони можуть бути безцінним джерелом оригінальної та непорушеної інформації про процеси, що відбувались у найвіддаленіших частинах Всесвіту та на початкових етапах його еволюції.

Не дивно, що фізики у всьому світі прагнуть вивчити ці загадкові субатомні частинки якомога ретельніше. Одним із інструментів для цього є відомий японський детектор Super-Kamiokande вже давно. Він заснований на великому циліндричному резервуарі діаметром 39,3 м і висотою 41,4 м, що містить 50 000 кубічних метрів води. Вся система знаходиться в 1000 метрах під землею в шахті Каміока поблизу Мозумі в префектурі Гіфу. SK виявляє взаємодію нейтрино у воді з близько 13000 оптичних датчиків. Детектор працює з 1996 року і використовується для вивчення атмосферних, сонячних, космічних та техногенних нейтрино, включаючи явище коливань нейтрино.

зображення
Вид на резервуар SK після викачування всієї води. Фото Супер-Каміоканде / Токійський університет [u-tokyo.ac.jp]

Супер-Каміоканде неодноразово сприяв новаторським відкриттям у фізиці та роботі Всесвіту. Нейтринські дослідження привели до двох Нобелівських премій та престижної премії "Прорив" за останні роки.

Резервуар SK після реновації та герметизації в 2018 році був заповнений лише чистою водою і використовувався в такому вигляді до лютого 2019 року — це означає, що в цей період для циркуляції та очищення води використовували оригінальну водяну систему СК. Однак паралельно була розроблена окрема система очищення води та циркуляції, що містить гадоліній. Незабаром було продемонстровано, що нова система пропонує той самий рівень чистоти та ясності, як і оригінал, дозволяючи Gd розчинятися у воді Супер-Каміоканде. Родзинкою нової системи є спеціальна іонообмінна смола, яку спільно розробили Токійський університет та корпорація Органо.

Поки перший крок додавання гадолінію до системи СК був завершений з концентрацією Gd 0,01% та ефективністю захоплення нейтронів 50%. Протягом наступних кількох років концентрація Gd ще більше збільшиться, що дозволить вперше спостерігати за реліктовими надновами — за оцінками, це відбудеться протягом семи чи восьми років.

Поляки, в тому числі вчені Національного центру ядерних досліджень, також брали участь у модернізації детектора СК, яка була завершена до цього часу. Вони також братимуть участь в аналізі даних експерименту, спрямованих на пошук можливого сигналу від частинок темної речовини в детекторі. Дослідження поляків підтримується грантами Національного наукового центру: SONATA-BIS 2015/18 / E / ST2 / 00758 та 2018/30 / E / ST2 / 00441.

Джерело: NCBJ

Facebook Comments