Физики придумали, как достучаться до звёзд за пределами галактики

Физики придумали, как достучаться до звёзд за пределами галактики

Вполне возможно, что добавление нового металла позволит физикам изучить далёкие сверхновые
(фотография Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe).

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, что 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.