Супер-Камиоканде

Нейтрино являются одними из самых распространённых и загадочных частиц нашей Вселенной. Каждую секунду 50 трлн данных частиц почти бесследно пролетают через наши тела. Нейтральный электрический заряд и крошечная масса позволяют нейтрино проходить через обычное вещество практически без помех.

Это свойство затрудняет обнаружение крошечных частиц. Поэтому неудивительно, что учёным приходится прикладывать колоссальные усилия, чтобы построить функциональный детектор нейтрино. Зачастую оборудование необходимо размещать под горой или погружать в сверхглубокое озеро, чтобы изолировать его от космических лучей. Детекторы нейтрино являются одними из самых впечатляющих приборов в современной науке.

«Супер-Камиоканде» — одна из таких нейтринных обсерваторий, спрятанная на глубине 1 км под горой Камиокако вблизи японского города Хида. Сам детектор представляет собой огромный стальной резервуар высотой 41,4 м, шириной 39,3 м и вместимостью 50 000 т сверхчистой воды.

На внутренней поверхности резервуара установлены 11 146 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) — устройств, используемых для обнаружения света, возникающего при взаимодействии нейтрино с окружающей водой. Хотя частицы проникают в гору с относительной лёгкостью, нейтринное взаимодействие с электронами или ядрами воды происходит крайне редко (обычно от 10 до 100 подобных событий в день). Но когда это происходит, в результате образуется частица, которая движется со скоростью, превышающей показатели скорости света для водной среды.

Это взаимодействие похоже на оптический аналог звукового удара — испускаемая частица создаёт световой конус. Это явление известно как эффект Вавилова-Черенкова. Излучение проявляется внутри детектора в виде светового кольца, проецируемого на стенку ФЭУ, и по полученным данным (характеристики заряда или резкости светового кольца) физики могут собрать информацию о поступающих нейтрино.

Таким образом, ученые из Института исследований космических лучей Токийского университета изучают Вселенную через призму нейтрино. Некоторые значительные открытия в мире физики были сделаны именно с помощью детектора «Супер-Камиоканде». В феврале 1987 года детектор стал первым прибором, обнаружившим нейтрино, которые были созданы сверхновой (в частности, объектом SN 1987A, расположенным на расстоянии 168 000 световых лет в Большом Магеллановом облаке).

Что еще более важно, «Супер-Камиоканде» предоставил первое прямое доказательство того, что Солнце является одним из источников нейтрино, а также сделал измерения, критически важные для изучения явления дефицита солнечных нейтрино. Эта проблема возникла из-за серьезного несоответствия в количестве нейтрино, измеренных на Земле, с количеством, спрогнозированным с помощью стандартной солнечной модели. Как показали данные «Супер-Камиоканде» и других подобных приборов, до Земли доходит только часть нейтрино, созданных на солнце, потому что частицы имеют ненулевую массу (ранее считалось, что нейтрино не имеют собственной массы). Следовательно, частицы могут принадлежать к различным типам или «ароматам» — при этом современные детекторы чувствительны только к определённым видам нейтрино. Существует три разновидности: электронное нейтрино νe, мюонное нейтрино νμ и тау-нейтрино ντ, причём тау-нейтрино наиболее интересны для исследований, так как они не регистрируются обычными детекторами на Земле).

Обсерватория продолжает исследовать ещё одно важное физическое явление — распад протона. Согласно гипотезе, протон может распасться на более лёгкие субатомные частицы, но подобный эффект ещё ни разу не был зафиксирован.

Полезно знать

Лаборатория закрыта для широкой публики, но образовательные или научные группы могут обратиться в центр для получения разрешения на проведение экскурсий. Водный резервуар «Супер-Камиоканде» невозможно увидеть ни при каких условиях.