Nowe zdolności japońskiego superdetektora neutrin

Nowe możliwości badań uzyskano dzięki dodaniu związków gadolinu do zbiornika detektora zawierającego 50 mln litrów krystalicznie czystej wody. Gadolin (Gd) jest pierwiastkiem ziem rzadkich o liczbie atomowej 64. Oprócz dużego powinowactwa do wychwytywania neutronów (duży przekrój na wychwyt), Gd ma duży moment magnetyczny i jest stosowany jako środek kontrastowy w MRI (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego). Jako składnik systemu SK, pozwoli na obserwacje neutronów powstających przy oddziaływaniu wysokoenergetycznych antyneutrin z wodą, dzięki czemu będzie można rejestrować antyneutrina powstałe w wybuchach supernowych na początku historii Wszechświata.

Neutrina – niemal bezmasowe cząstki poruszające się z prędkością bliską prędkości światła – to najbardziej tajemniczy składnik materii. Są trwałe, występują w trzech „rodzajach”, ale oscylują, zmieniając swoją tożsamość podczas podróży od źródła do detektora. Choć we Wszechświecie, a nawet na Ziemi, powstają ich wielkie ilości, to jednak niezwykle trudno je zaobserwować, gdyż bardzo rzadko oddziałują z materią. To stanowi też zarazem o ich głównej atrakcyjności,  gdyż ze względu na swe znikome interakcje z materialnym ośrodkiem, mogą być bezcennym źródłem oryginalnej i niczym nie zmąconej informacji o procesach, które miały miejsce w najdalszych partiach Wszechświata i na początkowych etapach jego ewolucji.

Nic więc dziwnego, że fizykom na całym świecie bardzo zależy na jak najdokładniejszym zbadaniu tych tajemniczych cząstek subatomowych. Jednym z narzędzi to umożliwiających pozostaje od dłuższego już czasu słynny japoński detektor Super-Kamiokande. Opiera on swoje działanie na wielkim, cylindrycznym zbiorniku o średnicy 39,3 m i wysokości 41,4 m, w którym znajduje się 50 000 metrów sześciennych wody. Cały system znajduje się 1000 m pod ziemią, w kopalni Kamioka niedaleko miejscowości Mozumi w prefekturze Gifu. SK wykrywa oddziaływania neutrin w wodzie za pomocą około 13 000 czujników optycznych. Detektor pracuje od 1996 roku i jest używany do badania neutrin atmosferycznych, słonecznych, kosmicznych oraz wytworzonych przez człowieka, w tym do badania zjawiska oscylacji neutrin.

Super-Kamiokande już wielokrotnie przyczyniał się do dokonywania przełomowych odkryć w dziedzinie fizyki i na temat działania Wszechświata. Badania neutrin zaowocowały w ostatnich latach dwoma nagrodami Nobla i prestiżową nagrodą Breakthrough Prize.

Zbiornik SK po remoncie i uszczelnieniu w 2018 roku został napełniony samą czystą wodą i był użytkowany w tej formie do lutego 2019 roku - znaczy to, że w tym okresie do cyrkulacji i oczyszczania wody używany był oryginalny system wodny SK. Równolegle opracowano jednak oddzielny układ oczyszczania i cyrkulacji wody zawierającej gadolin. Niebawem wykazano, że nowy system zapewnia ten sam poziom czystości i przejrzystości, co oryginalny, jednocześnie umożliwiając rozpuszczanie Gd w wodzie Super-Kamiokande. Najważniejszym elementem nowego systemu jest specjalna żywica jonowymienna, która została opracowana wspólnie przez Uniwersytet Tokijski i Organo Corporation.

Jak dotąd do końca doprowadzono pierwszy etap dodawania gadolinu do układu SK - osiągnięto stężenie Gd wynoszące 0,01% i wydajność wychwytu neutronów wynoszącą 50%. W ciągu następnych kilku lat stężenie Gd zostanie jeszcze zwiększone, umożliwiając pierwszą w historii obserwację reliktowych neutrin supernowych - szacuje się, że dojdzie do tego w ciągu siedmiu lub ośmiu lat.

W zakończonych dotąd pracach modernizacji detektora SK brali także udział Polacy, w tym naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Będą oni uczestniczyć także w analizie danych eksperymentu ukierunkowanej na poszukiwanie w detektorze ewentualnego sygnału pochodzącego od cząstek ciemnej materii. Badania Polaków są wspierane przez granty Narodowego Centrum Nauki: SONATA-BIS 2015/18/E/ST2/00758 i 2018/30/E/ST2/00441.

Źródło: NCBJ