Czy podziemny zbiornik wody może stanowić rozwiązanie tajemnic Wszechświata?
Neutrina(odnośnik otworzy się w nowym oknie) to cząstki elementarne, które leżą u podstaw większości procesów zachodzących we Wszechświecie. Powstają w dużych ilościach podczas najważniejszych reakcji, które między innymi zachodzą w czasie, gdy umierające gwiazdy przechodzą w supernowe. Ze względu na niezwykle niskie prawdopodobieństwo ich oddziaływania z materią, ich właściwości dynamiczne nie zmieniają się w czasie. To z kolei pozwala nam zrozumieć najważniejsze reakcje zachodzące we Wszechświecie. „Neutrina uwolnione przez wszystkie supernowe, które pojawiły się w całej historii Wszechświata – określane mianem rozproszonego tła neutrinowego supernowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (DSNB) – są źródłem niezwykle cennych informacji o zjawiskach obejmujących rozwój czasoprzestrzenny Wszechświata, powstawanie gwiazd, czarne dziury i wiele innych”, wyjaśnia Luis Labarga Echeverría, koordynator projektu SK2HK finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Rozwój pionierskich doświadczeń dotyczących oddziaływań neutrin
Ze względu na niezwykle niskie prawdopodobieństwo zajścia oddziaływań neutrin w detektorach, doświadczenia wymagają wykorzystania ogromnej objętości materiału poddawanego oddziaływaniu. Ze względu na wysokie koszty naukowcy opracowali różne rozwiązania, z których najbardziej owocną techniką okazała się tak zwana metoda wodnych detektorów Czerenkowa. Wykorzystuje ją japońskie Obserwatorium Kamioka(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w ramach największego na świecie podziemnego detektora neutrin Super-Kamiokande(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – dużego zbiornika o objętości 50 000 metrów sześciennych, który został wypełniony wodą o ultrawysokiej czystości. W wyniku oddziaływania neutrin z wodą powstaje kilka cząsteczek, z których znaczną część charakteryzuje ładunek elektryczny. Blisko 10 000 ultraczułych czujników światła (fotopowielaczy) umieszczonych w ścianach zbiornika wykrywa światło emitowane przez te naładowane cząstki przemieszczające się w wodzie. „Rekonstrukcja cech charakterystycznych cząstki, w tym ich pochodzenia, energii, kierunku i procesów rozpadu, pozwala nam wyciągać wnioski na temat właściwości neutrin”, wyjaśnia Echeverría, badacz z Autonomicznego Uniwersytetu w Madrycie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zastosowanie tej metody zaowocowało dwoma istotnymi osiągnięciami - wykryciem neutrin pochodzących z supernowej SN1987, za co odkrywcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2002 roku, a także odkrycie masy neutrin, co zaowocowało przyznaniem kolejnej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2015 roku. Badacze oddelegowani do pracy przy detektorze Super-Kamiokande w ramach projektu SK2HK uczestniczyli w dalszych powiązanych doświadczeniach, które doprowadziły do zaobserwowania przesłanek świadczących o istnieniu DSNB, które zostały zaprezentowane podczas konferencji NEUTRINO 2026(odnośnik otworzy się w nowym oknie) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine w czerwcu 2026 roku. „To prawdziwy początek nowej ery fizyki, która pozwoli nam na badanie rozwoju Wszechświata na podstawie neutrin emitowanych przez supernowe, które powstały od zarania dziejów”, mówi Echeverría.
Droga do doświadczeń neutrinowych nowej generacji
Lepsze zrozumienie neutrin wymaga zbudowania większych detektory, takich jak Hyper-Kamiokande, który powstaje obecnie przy Obserwatorium Kamioka. W pracach uczestniczy zespół projektu SK2HK. „Uruchomienie detektora planowane jest na 2028 rok. Instalacja ma mieć objętość 260 000 ton i będzie wyposażona w 20 000 czujników światła. Dzięki temu będzie znacznie wydajniejsza”, zauważa Echeverría. Zespół brał również udział w pracach badawczo-rozwojowych dotyczących nowych technik wykrywania obejmującymi doświadczenia wykorzystujące wiele fotopowielaczy zamiast pojedynczego urządzenia o średnicy 60 centymetrów. W ramach tych prac powstał fotopowielacz tej samej średnicy, zawierający 19 mniejszych urządzeń. Zespół projektu SK2HK zajmuje się również projektowaniem i budową podwodnej obudowy, w której znajdują się fotopowielacze. Projektowana obudowa musi spełniać wymogi w zakresie odporności na wysokie ciśnienie i zapobiegać reakcji łańcuchowej w przypadku implozji jednego z czujników. „Badacze już teraz myślą o budowie jeszcze większych detektorów umieszczonych głębiej pod ziemią i wyposażonych w znacznie więcej czujników. Takie rozwiązania będą źródłem dokładniejszych informacji na temat zmiennych, które mogą wyjaśnić zmiany neutrin w czasie, a być może nawet rozwiązać największą zagadkę i wskazać, czy teoria wielkiej unifikacji jest prawdziwa”, podsumowuje Echeverría.
