12 listopada, w niekontrolowanym przebiegu wypadków tysiące superczułych detektorów światła uległo zniszczeniu w obserwatorium neutrin Super-Kamiokande w Japonii. Zniszczenia są tak rozległe, że naprawa potrwa przynajmniej rok i będzie kosztować miliony dolarów.

Detektor Super-Kamiokande (dokładnie: Super Kamioka Nuclear Detector – jest to druga, ulepszona wersja podobnego, ale starszego detektora) mieści się niedaleko wioski Kamioka w Japonii – 290 km na północny zachód od Tokio. Teoretycznie jest to detektor zbudowany do poszukiwań rozpadu protonu, stąd w nazwie detektor nuklearny. Znajduje się kilometr pod powierzchnią Ziemi, u stóp góry Ikenoyama. Jest to, w uproszczeniu, wielki, cylindryczny zbiornik wody. 11146 fotopowielaczy (bardzo czułych detektorów światła) wpatrujących się w 50 tysięcy ton wody, jest rozmieszczonych na ścianach zbiornika.

Astronomy.com

Super-K położone w starej kopalni około 1 kilometra pod ziemią. Wewnętrzna ściana cylindrycznej komory o wysokości 41,4 m i średnicy 39,3 m jest pokryta przez 11200 detektorów PMTs (photomultiplier tubes). Detektory służą do wykrywania błysków światła tworzonych przez neutrina przechodzące przez 56,8 mln litrów wody, która wypełnia zbiornik.

Przeznaczeniem detektora jest, uogólniając, badanie ilości ciemnej materii we Wszechświecie. Dokładniej, przy pomocy Super-K fizycy, astrofizycy i kosmologowie badają 2 główne składniki ciemnej materii: cząstki subatomowe (neutrina) i WIMPy (od Weakly Interacting Massive Particles – masywne, słabo oddziaływujące z otoczeniem cząstki elementarne).

Tak jak zwykle, co jakiś czas, cała woda jest wypompowywana ze zbiornika i zastępowana nową. Trzeba tutaj zaznaczyć, że woda jest przed wpuszczeniem do zbiornika bardzo długo i dokładnie filtrowana, przez co naukowcy z Super-K uzyskują prawie doskonale czystą chemicznie wodę. Wymiana wody w zbiorniku rozpoczęła się 12 listopada i przez kilka momentów wypełniania cylindra operacja przebiegała bez niespodzianek. Nagle, gdy zbiornik był już prawie pełny, 7000 detektorów implodowało. Szkło pochodzące z urządzeń rozprysło się po całej otaczającej cylinder aparaturze siejąc dodatkowe zniszczenie (uszkodzone zostało m.in. 1000 detektorów zewnętrznych, których zadaniem jest wychwytywanie niechcianych neutrin z promieniowania kosmicznego).

Astronomy.com

7000 fotopowielaczy spośród 11146 zostało zniszczonych 12 listopada 2001 roku w katastrofie w detektorze neutrin Super-Kamiokande. Naprawa potrwa przynajmniej rok i kosztować będzie wiele milionów dolarów.

Pracownicy Super-K nie są pewni przyczyn katastrofy. Istnieje podejrzenie, że ciśnienie wlewanej wody było nieprawidłowe, jednak Yoji Totsuka (dyrektor Obserwatorium Neutrin w Kamioce) powoła specjalną komisję, której zadaniem będzie zbadać całą sprawę i opracować plany odbudowy Super-K. Co do wysokich kosztów naprawy nikt nie ma wątpliwości, jednak zostanie ona przeprowadzona: „Odbudujemy detektor. To nie podlega dyskusji” – powiedział Totsuka.

Neutrina i WIMPy są tak ważne, ponieważ od ich istnienia (i specyficznych cech) zależy dalsza ewolucja całego naszego Wszechświata. WIMPy to nadal tylko hipotetyczne cząstki subatomowe różnego rodzaju, które zgodnie z teorią są trudne do wykrycia, ale ich masa (i ilość) jest wystarczająco duża, aby mieć znaczący wpływ na losy Wszechświata.

Neutrina posiadają o wiele barwniejszą historię. W latach trzydziestych ubiegłego stulecia naukowcy badali rozpad promieniotwórczy beta. Eksperymenty wykazały, że podczas rozpadu część energii po prostu znika. Nie dało się tego zjawiska w jakikolwiek sposób wytłumaczyć. Cały świat naukowy stanął u progu tragedii: jedna z fundamentalnych zasad fizyki – zasada zachowania energii – okazała się być błędna. Pośród wielu desperackich prób ratowania starego porządku, Wolfgang Pauli zaproponował istnienie nieuchwytnej cząstki, nie posiadającej masy, która podczas rozpadu beta unosiłaby ze sobą energię. Naukowcy z braku lepszych rozwiązań zaakceptowali tę szaloną teorię. Kilkadziesiąt lat później, w roku 1956 dwaj fizycy: Friedric Reise i Clyde Cowan odkryli neutrina emitowane przez reaktor jądrowy. Jak wielka radość musiała ogarnąć Pauliego, który u schyłku swego życia otrzymał solidny dowód poprawności swej teorii! Od tamtego czasu naukowcy badali nowego członka rodziny cząstek. Okazało się, że istnieją 3 rodzaje („zapachy”) neutrina – neutrino: elektronowe, mionowe i taonowe. W latach 90-tych minionego stulecia naukowcy, po przeprowadzeniu testów w poszukiwaniu innych neutrin (uzyskano negatywne wyniki), uznali, że cząstki te nie kryją już w sobie żadnej tajemnicy.

Takie przeświadczenie panowało do 1998 roku. Wówczas w Super-K rozpoczęto badania nad neutrinami słonecznymi (neutrina powstają w gwiazdach, a także w dużych ilościach w supernowych). Okazało się, że ilość wykrywanych pewnych rodzajów neutrin jest różna od przewidywań teoretycznych. I po raz kolejny naukowcy zostali zaskoczeni. Natychmiast pojawiły się liczne teorie tłumaczące ten stan rzeczy. Po wielu doświadczeniach mających zweryfikować poprawność tych teorii, jedna z nich została potwierdzona. Ponownie Super-K odniósł sukces. Wyniki z tego detektora wskazywały na to, że neutrina mają masę. Dla środowiska naukowego był to szok. Oznaczało to, że Model Standardowy, który dotąd był uznawany za poprawny opis Wszechświata, ma błędy i to w podstawowych założeniach.

Obecnie Model Standardowy jest modyfikowany, a istnienie masy neutrin potwierdziły inne, niezależne badania. Właśnie tym odkryciem Super-K na zawsze zapisze się na łamach historii fizyki.

A jak się odkrywa nieuchwytne neutrina? Neutrina bardzo rzadko zderzają się z materią (mogą przelecieć przez płytę ołowiu o grubości roku świetlnego nie zderzając się z żadnym atomem). Jednak czasami do takiego zderzenia dochodzi i naukowcy liczą właśnie na ten moment. Badając dostateczne ilości materii (50 tysięcy ton wody wystarcza), mogą oszacować statystycznie, ile naprawdę neutrin jest wokół. Gdy takie pędzące neutrino zderzy się z cząsteczką wody, to w zależności od tego, z jakim neutrinem mamy do czynienia, powstaje elektron, mion lub taon. Super-K wykrywa 2 pierwsze typy tych cząstek. Taka cząstka porusza się z prędkością większą od prędkości światła w wodzie i powstaje tzw. promieniowanie Czerenkowa, które jest rejestrowane przez fotopowielacze Super-Kamiokande. Analiza zarejestrowanych danych pozwala stwierdzić, co było wynikiem zderzenia: mion czy elektron.

Super-K zarejestrował mniej słonecznych neutrin elektronowych (emitowanych przez Słońce), ponieważ neutrina elektronowe oscylowały w drodze do Ziemi. Oscylacja jest zjawiskiem kwantowym, która (w uproszczeniu) polega na zamianie jednej cząstki w drugą. Cząstka oscylująca musi mieć jednak masę. Skoro neutrino oscyluje, więc musi mieć masę. Obecne badania zmierzają do określenia dokładnej masy tych zaskakujących cząstek.

Według obliczeń teoretycznych, na 1 centymetr sześcienny przypada około 360 neutrin wszystkich zapachów. Poruszają się one zwykle z prędkościami bliskimi prędkości światła, więc w ciągu sekundy przez Twoją rękę przelatują miliony tych cząstek. Właśnie z powodu ich masy i wielkiej ilości mogą spowodować, że masa materii we Wszechświecie zatrzyma rozszerzanie się Kosmosu i spowoduje jego kurczenie. Jeżeli fizycy znajdą dokładne liczby opisujące neutrina, prawdopodobnie dadzą kosmologom odpowiedź na pytanie: Jaki jest przyszły los naszego Wszechświata?