“Teleskopy na wodę” – o wykrywaniu neutrin

Obserwatorium IceCube

Teleskopy kojarzone są zwykle z mniejszymi lub większymi przyrządami skierowanymi w niebo, albo wyniesionymi w przestrzeń kosmiczną. Jednak w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat uformowała się nowa gałąź astronomii, korzystająca z nieco innych instrumentów. Głęboko w morzu, w opuszczonych kopalniach i pod lodami Antarktydy działają teleskopy neutrinowe, nowe narzędzia badań astronomicznych i fizycznych. Przyrządy te obserwują neutrina, cząstki, które mają znikomą masę i prawie wcale nie oddziaływują z materią.

Co to?

Czym są neutrina? Jak wiele zjawisk w fizyce, przewidziane zostały najpierw teoretycznie. Dokonał tego w 1930 roku Wolfgang Pauli, próbując rozwikłać tajemnicę rozpadu radioaktywnego beta. Rozpad beta zdawał się naruszać dwa podstawowe prawa fizyczne: zachowania energii i zachowania pędu. Końcowa konfiguracja cząstek wydawała się mieć w nim nieco za mało energii. Dopiero w Pauli zaproponował teorię, w myśl której powstaje w tym procesie dodatkowa cząstka, niosąca ze sobą brakującą energię i pęd. Co ciekawe, wielki fizyk nazwał postulowaną cząstkę “neutronem”. Nie jest ona jednak tym samym co właściwy neutron, czyli składnik jądra atomowego, odkryty przez  Jamesa Chadwicka w 1932 roku. Dopiero Enrico Fermi użył nazwy neutrino, która przyjęła się i obowiązuje do dziś. Eksperymentalne potwierdzenie teorii nastąpiło w latach 50. XX wieku. W roku 1956, Clyde Cowan i Frederick Reines zbudowali dwa ogromne, podziemne zbiorniki, wypełnione wodą, znajdujące się zaledwie kilka metrów od elektrowni atomowej na rzece Savannah, koło Aiken, w Południowej Karolinie. Za eksperyment ten Frederick Reines otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1995. Nie mógł on podzielić się tą nagrodą z Clyde Cowan, gdyż ten zmarł prawie 20 lat wcześniej.

Kiedy neutrina docierają do detektora wchodzą w interakcję z wodą ze zbiornika, wytwarzając niebieskawe światło, które jest następnie rejestrowane przez tysiące fotopowielaczy. W powyższym przykładzie z detektora Supe-Kamiokande, każda kolorowa kropka reprezentuje detekcję, a najwcześniej wykryte neutrina są reprezentowane przez kropki najbliższe czerwieni.

Pierwsze neutrina powstały prawie 14 miliardów lat temu, 10-43 sekund po Wielkim Wybuchu. Zaledwie kilka sekund później były już one daleko poza zasięgiem tej gorącej i gęstej mieszaniny cząstek pierwotnych; do dziś naukowcy maja nadzieję na detekcję neutrin, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu. Do tej pory zaobserwowano tylko dwa pozaziemskie źródła neutrin: Słońce i wybuchy supernowych. Podobnie jak inne gwiazdy, Słońce emituje elektronowe neutrina przy różnych etapach procesu fuzji jąder lekkich w cięższe. Neutrina supernowych powstają jak sama nazwa wskazuje w czasie “nagłej śmierci” niektórych masywnych gwiazd. Wybuchając produkują one więcej neutrin niż fotonów. W 1987 roku kilka detektorów odebrało nadzwyczajnie silny sygnał (kilka sygnałów na sekundę, w porównaniu z normalną frekwencją jednego sygnału na dzień), który przypisany został neutrinom z supernowej SN1987A z Wielkiego Obłoku Magellana. 

Jak i czym?

Schemat detectora IceCube

Według szacunków fizyków, przez ciało każdego z nas w ciągu sekundy przelatują miliardy neutrin. Ale średnio tylko jedno w ciągu całego naszego życia zatrzyma się w naszym ciele. Ten brak odziaływań z materią oznacza, że bardzo trudno taką cząstkę wykryć. Detektor neutrin powinien być odpowiednio duży (co najmniej 1 kilometr sześcienny objętości), odpowiednio przezroczysty, aby wykryć promieniowanie Czerenkowa (najlepiej do tego nadaje się woda lub lód), umieszczony głęboko, aby nie wpływało na niego promieniowanie z powierzchni Ziemi. Gdy już neutrino trafi w jądro cząsteczki wody lub lodu, spowoduje strumień różnych cząstek, znanych z eksperymentów w akceleratorach. Ich pozostałości będą świecić niebieskim światłem jako promieniowanie Czerenkowa, które wykryją odpowiednio rozmieszczone czujniki.

Detektory neutrin są umieszczone w rejonie Morza Śródziemnego (ANTARES – Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research, znajdujący się na głębokości 2400 metrów niedaleko Tulonu we Francji oraz NESTOR – Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research u wybrzeży Grecji mający być docelowo elementem programu KM3NeT); w starej kopalni niklu w Kanadzie, gdzie na głębokości 2073 metrów umieszczono Sudbury Neutrino Observatory; detektor Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope (BDUNT) znany również jako po prostu BAIKAL pracuje na głębokości 1 km, jak sama nazwa wskazuje, w Jeziorze Bajkał.

Od 2000 roku pod stacją badawczą Amundsen-Scott South Pole Station na biegunie południowym działała AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array), detektor pracujący na bazie naturalnego lodu Antarktydy. Około 650 czujników detektora rejestrowało około 4 neutrin dziennie, pochodzących z reakcji promieniowania kosmicznego z ziemską atmosferą. AMANDA została zastąpiona przez IceCube Neutrino Observatory (IceCube), którego budowa została zakończona 18 grudnia 2010 roku. Na biegunie południowym obserwuje się neutrina z północnej pólkuli nieba, wykorzystując całą kulę ziemską jako filtr, który nie przepuści żadnych innych cząstek.

Detektor Super-Kamiokande

Osobny akapit warto poświęcić również na najbardziej znany pracujący japoński detektor Super-Kamiokande, który działa już od ponad 20 lat (oddany do użytku w 1996 roku), jest kontynuatorem prowadzonego w latach 1983-1995 eksperymentu Kamiokande (ang. Kamioka Nucleon Decay Experiment) i zawiera 50 tysięcy ton wody. Masa wody w planowanym detektorze Hyper-Kamiokande ma być dwudziestokrotnie większa, co przełoży się na odpowiednio wyższe prawdopodobieństwo obserwacji oddziałujących w nim neutrin. Nowy detektor powstanie wewnątrz gigantycznej jaskini, która zostanie wykopana obok kopalni Hida City w Kamioce. Fizycy mają nadzieję, że praca której rozpoczęcie planowane jest na 2027 rok, przyniesie przełomowe odkrycia dotyczące tych cząstek. Detektor ma rejestrować neutrina przychodzące z atmosfery, Słońca i kosmosu, jak i z reakcji wywołanych w sztuczny, kontrolowany sposób przez odległy o kilkaset kilometrów akcelerator w ośrodku J-PARC.

Hyper-Kamiokande stanie się jedną z trzech dużych instalacji służących wykrywaniu neutrin, jakie mają rozpocząć działalność w tej dekadzie. Dwa pozostałe to Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), który Chiny planują uruchomić w roku 2021, oraz finansowany przez wiele krajów eksperyment Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) budowany niedaleko akceleratora Fermilab, o wartości 1,5 mld dolarów, który ma ruszyć w 2024 roku, uzyskując do 2027 r. pełną operacyjność. Inne amerykańskie eksperymenty przeznaczone do odkrywania neutrinowych tajemnic to PROSPECT, w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, oraz Short-Baseline Neutrino Program w Fermilabie, w stanie Illinois.

Po co?

Bardzo słabe oddziaływanie neutrin z materią ma jednak ogromne plusy. W przeciwieństwie do fotonów, neutrino utworzone we wnętrzu Słońca może bez przeszkód wydostać się i dotrzeć do Ziemi. Wykrycie neutrin słonecznych było dowodem, iż źródłem energii gwiazd są reakcje termojądrowe. Słoneczne neutrina interesują nie tylko astronomów, są też niezmiernie ważne dla fizyków. Są one istotnym testem dla tzw. modelu standardowego opisującego podstawowe oddziaływania fizyczne.

Neutrino jest dużo lepszym podróżnikiem niż foton światła. Ten drugi często jest pochłaniany lub rozpraszany przez materię. Natomiast neutrino może bez przeszkód przebyć olbrzymie odległości w kosmosie. Nowa generacja teleskopów ma wykrywać neutrina pochodzące z rozbłysków gamma (GRB – Gamma-Ray Bursts) i aktywnych jąder galaktyk (AGN – Active Galactic Nuclei).

Obecnie, aby umożliwić astronomom detekcję takich kosmicznych wydarzeń jak wybuchy supernowych, zorganizowano tzw. Supernova Early Warning System, integrujący sygnały z kilku detektorów neutrin na raz. Podczas gwiezdnych wybuchów neutrina zostają uwalniane zanim uwolnione zostaną fotony, dlatego też ich wczesna detekcja pozwala, naukowcom na rejestrację interesujących ich fotonów, która nastąpi wkrótce po sygnale neutrin.



 

Może Ci się również spodoba

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.