Tak wygląda detektor neutrin

Super-Kamiokande, ultraczuły detektor neutrin. Fot. Ben Still

To jedno z tych miejsc, które bardzo chcielibyśmy zobaczyć na własne oczy. Tylko co to właściwie jest? Po czym pływają ci ludzie?

To Super-Kamiokande – znajdujący się na głębokości 1 km pod ziemią, wypełniony 50 tysiącami ton wody walec o wysokości 40 metrów i średnicy 40 metrów. To gigantyczne urządzenie znajduje się w Japonii, w mieście Hida, i mieści superczystą wodę o objętości równej 33 basenom olimpijskim.

Super-Kamiokande służy do rejestracji neutrin. W wodę „wpatruje się” 11146 elektronicznych „oczu”, czyli fotopowielaczy, których jedynym zadaniem jest dostrzeżenie światła emitowanego wtedy, kiedy neutrino zderza się z jądrem np. tlenu z wody. Detektory są tak czułe, że rejestrują pojedyncze fotony. Wykrywają tak zwane promieniowanie Czerenkowa czyli zjawisko emisji światła powstające, gdy naładowana cząstka (tu wzbudzona przez zderzenie za neutrinem) porusza się w danym ośrodku szybciej, niż światło. Szybciej niż światło?! Tak, nieprzekraczalna jest prędkość światła w próżni, w innych ośrodkach, na przykład w wodzie, jest znacznie niższa i możliwa do przekroczenia.

Neutrina są cząstkami elementarnymi – są obojętne elektrycznie i słabo oddziałują z materią, dlatego ich badanie jest niezwykle trudne. Neutrina są niemal nie do powstrzymania – potrafią przenikać przez nasze ciała, ziemię, skały, wodę.

W ramach eksperymentu prowadzonego w Super-Kamiokande naukowcy znaleźli nowy rodzaj oscylacji (przekształcania się) neutrin, który może pomóc wyjaśnić, dlaczego materia dominuje dziś nad antymaterią. Ogłosili to 22 lipca 2013 roku. W tym eksperymencie neutrina produkowane są na wschodnim wybrzeżu Japonii, w miejscowości Tokai, wpuszczane pod ziemię i 300 km dalej – już na zachodzie Japonii – przechodzą przez detektor Super-Kamiokande.

Zespół pracujący w Super-Kamiokande przyczynił się do odkrycia, w którym wykazano, że neutrina mają jednak masę. Badania te nagrodzono w 2015 roku Noblem z fizyki, którego otrzymali  Japończyk Takaaki Kajita oraz Kanadyjczyk Arthur B. McDonald. Kajita pracował w Super-Kamiokande, McDonald w kanadyjskim detektorze Sudbury Neutrino Observatory.

W zespole pracującym w Super-Kamiokande znalazła się również Polka, prof. Danuta Kiełczewska z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. Jest ona współautorką odkrycia oscylacji (czyli zmiany stanu zapachowego) neutrin w japońskim detektorze. Brała również udział w eksperymentach poszukujących rozpadów protonu i badających własności neutrin atmosferycznych i słonecznych.