Физики придумали, как достучаться до звёзд за пределами галактики
Международная группа учёных в Японии готовится усовершенствовать нейтринный детектор Super-Kamiokande с помощью добавления одного металла. Это, по мнению исследователей, поможет Super-Kamiokande стать первым в мире детектором, способным фиксировать взрывы звёзд за пределами Млечного Пути.
Напомним, что нейтрино – это частицы, образующиеся в ходе ядерных реакций (например, на Солнце, звёздах или на атомных электростанциях). Существуют три типа нейтрино (тау, электронное и мюонное).
Они настолько крохотные и взаимодействуют с остальным веществом так слабо, что каждую секунду триллионам из них удаётся проходить сквозь человеческие тела и оставаться совершенно незамеченными. Их изучение позволит учёным узнать больше о жизни и эволюции звёзд во Вселенной близ Млечного Пути.
Проблема заключается в том, что все нейтрино от сверхновых, которые были обнаружены до сих пор, приходили из ближайших окрестностей нашей галактики. И никто из учёных сегодня не знает, отличаются ли нейтрино более старых чем Млечный Путь галактик, расположенных вдалеке от нашего родного дома.
Физик-экспериментатор Марк Вэгинс (Mark Vagins) из Института Кавли и теоретик Джон Биком (John Beacom) из Университета Огайо подумали, как можно улучшить крупнейший нейтринный детектор в Японии, чтобы он мог собирать данные о более "дальних" нейтрино.
Одна из их идей состояла в том, чтобы добавить редкоземельный металл гадолиний в резервуар с водой Super-Kamiokande. Цель – воспользоваться способностью ядра гадолиния захватывать частицы нейтроны. Если нейтрон в ходе взаимодействия нейтрино освобождается где-то поблизости от ядра гадолиния, то он им поглощается. В результате высвобождается дополнительная энергия, появляется слабая вспышка света, которую существующее оборудование может детектировать.
Но прежде чем начать какие-либо испытания, двум исследователям нужно было узнать, выполнима ли их идея. Также нужно было предугадать все возможные осложнения и заранее понять, как их можно преодолеть.
Во-первых, вода внутри детектора должны быть прозрачной. Нейтрино при взаимодействии с водой создаёт слабейшие вспышки света, которые могут быть зафиксированы фотоэлектронными умножителями, расположенными на стенах резервуара. Если добавление гадолиния сделает воду мутной, то фотоумножители попросту не "увидят" первоначальный свет и не усилят его для детекторов.
Во-вторых, гадолиний необходимо равномерно распределить внутри резервуара. Так, чтобы он мог быть достаточно близко к месту взаимодействия нейтрино с водой, чтобы усилить его сигнал.
По словам физиков, эти два критерия, равномерность распределения и прозрачность, необходимы, чтобы гадолиний усовершенствовал работу детектора.
В июле 2015 года доктор Вэгинс объявил на международной конференции в Токио, что он разработал необходимую технологию и теперь можно начать обогащать Super-Kamiokande гадолинием.
Гадолиний является побочным продуктом добычи других редкоземельных металлов. Некоторые из них используются в высокотехнологичных устройствах, например, в телевизорах с плоским экраном. Гадолиний вполне доступный материал, так что доктор Вэгинс и его команда могут приобрести 100 тонн материала необходимых Super-Kamiokande, чтобы обнаружить нейтрино от далёкой сверхновой.
Добавим, что Super-Kamiokande – это гигантский детектор, расположенный в японской лаборатории на глубине в один километр в цинковой шахте Камиока, в 290 километрах к северу от Токио. Детектор Super-Kamiokande представляет собой резервуар из нержавеющей стали высотой 42 метра и диаметром 40 метров, заполненный 50000 тоннами специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11146 фотоумножителей.
В 1987 году Kamiokande зарегистрировал первые нейтрино от сверхновой SN 1987A. Эксперимент возглавлял профессор Масатоси Косиба (Masatoshi Koshiba) из Токийского университета. В 2002 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.
В 1998 году было доказано, что нейтрино имеют массу, это доказательство принесло в 2015 году Нобелевскую премию по физике Такааки Кадзите (Takaaki Kajita), который был учеником доктора Косибы.
