Verborgen op een diepte van 1 km onder de berg Ikeno, in de Kamioka-zinkmijn, 290 km ten noorden van Tokio (Japan), is er een plek waar elke superschurk uit een film of een superheldenverhaal van zou dromen als zijn hol. Hier is de "Super-Kamiokande" (of "Super-K") - een neutrinodetector. Neutrino's zijn subatomaire fundamentele deeltjes die zeer zwak interageren met gewone materie. Ze kunnen absoluut alles en overal doordringen. Door deze fundamentele deeltjes te observeren, kunnen wetenschappers instortende sterren vinden en nieuwe informatie over ons universum leren. Business Insider sprak met drie medewerkers van station Super-Kamiokande en ontdekte hoe alles hier werkt en welke experimenten wetenschappers hier uitvoeren.
Duik in een subatomaire wereld
Neutrino's zijn erg moeilijk te detecteren. Zo moeilijk dat de beroemde Amerikaanse astrofysicus en popularisator van de wetenschap Neil DeGrasse Tyson ze ooit 'de meest ongrijpbare prooi in de ruimte' noemde.
“Materie vormt geen belemmering voor neutrino's. Deze subatomaire deeltjes zijn in staat om honderden lichtjaren metaal te passeren en zelfs niet te vertragen,”zei Degrass Tyson.
Maar waarom proberen wetenschappers ze te vangen?
“Wanneer er een supernova-explosie plaatsvindt, stort de ster in zichzelf in en verandert in een zwart gat. Als deze gebeurtenis zich voordoet in ons sterrenstelsel, kunnen neutrinodetectoren zoals dezelfde "Super-K" de neutrino's opvangen die als onderdeel van dit proces worden uitgezonden. Er zijn maar weinig van dergelijke detectoren in de wereld”, legt Yoshi Uchida van Imperial College London uit.
Voordat de ster instort, werpt hij neutrino's in alle richtingen van de ruimte, en laboratoria zoals Super-Kamiokande dienen als vroegtijdige waarschuwingssystemen die wetenschappers vertellen in welke richting ze moeten kijken om de allerlaatste momenten van het leven van de sterren te zien.
Promotie video:
“Vereenvoudigde berekeningen zeggen dat gebeurtenissen van een supernova-explosie in de straal waarin onze detectoren ze kunnen detecteren, maar eens in de 30 jaar plaatsvinden. Met andere woorden, als je er een mist, moet je gemiddeld enkele decennia wachten op het volgende evenement”, zegt Uchida.
De Super-K neutrino-detector pikt niet alleen neutrino's op die hem rechtstreeks vanuit de ruimte raken. Bovendien worden er neutrino's naar toe gestuurd vanuit de experimentele faciliteit T2K in de stad Tokai, in het tegenovergestelde deel van Japan. De uitgezonden neutrinostraal moet ongeveer 295 kilometer afleggen, waarna hij de Super-Kamiokande-detector in het westelijke deel van het land binnenkomt.
Door te observeren hoe neutrino's veranderen (of oscilleren) terwijl ze door materie reizen, kunnen wetenschappers meer vertellen over de aard van het universum, zoals de relatie tussen materie en antimaterie.
"Onze Big Bang-modellen suggereren dat materie en antimaterie in gelijke verhoudingen moesten worden gecreëerd", vertelde Morgan Vasco van Imperial College London aan Business Insider.
“Het grootste deel van antimaterie is echter om de een of andere reden verdwenen. Er is veel meer gewone materie dan antimaterie."
Wetenschappers geloven dat de studie van neutrino's een van de manieren kan zijn waarop het antwoord op dit raadsel uiteindelijk zal worden gevonden.
Hoe Super Kamiokande neutrino's vangt
Super Kamiokande ligt 1000 meter onder de grond en is zoiets als een gebouw met 15 verdiepingen.
Schematische voorstelling van de Super-Kamiokande neutrino-detector.
Een enorme cilindervormige roestvrijstalen tank is gevuld met 50 duizend ton speciaal gezuiverd water. Door dit water gaat neutrino met de snelheid van het licht.
"Neutrino's die het reservoir binnenkomen, produceren licht in een patroon dat lijkt op hoe de Concorde de geluidsbarrière doorbrak", zegt Uchida.
“Als het vliegtuig heel snel beweegt en de geluidsbarrière doorbreekt, ontstaat er een zeer krachtige schokgolf achter. Evenzo creëren neutrino's die door water gaan en sneller bewegen dan de lichtsnelheid, een lichte schokgolf”, legt de wetenschapper uit.
Er zijn iets meer dan 11.000 speciale vergulde "bollen" geïnstalleerd op de wanden, het plafond en de bodem van de tank. Ze worden fotomultiplicatoren genoemd en zijn erg lichtgevoelig. Zij vangen deze lichte schokgolven op die door de neutrino's worden gecreëerd.
Fotomultiplicatoren zien er zo uit.
Morgan Vasco beschrijft ze als "achterlichtbollen". Deze apparaten zijn zo overgevoelig dat ze zelfs met behulp van één lichtquantum een elektrische impuls kunnen genereren, die vervolgens wordt verwerkt door een speciaal elektronisch systeem.
Drink geen water, je wordt een kind
Om licht van schokgolven gegenereerd door neutrino's de sensoren te laten bereiken, moet het water in de tank kristalhelder zijn. Zo schoon dat je het je niet eens kunt voorstellen. Bij Super-Kamiokanda ondergaat het een constant proces van speciale reiniging op meerdere niveaus. Wetenschappers bestralen het zelfs met ultraviolet licht om alle mogelijke bacteriën erin te doden. Als gevolg hiervan wordt ze zodanig dat ze al afschuw neemt.
“Ultragezuiverd water kan alles oplossen. Ultragezuiverd water is hier heel, heel onaangenaam. Het heeft zure en alkalische eigenschappen”, zegt Uchida.
“Zelfs een druppel van dit water kan je zoveel problemen bezorgen waarvan je nooit had durven dromen”, voegt Vasco eraan toe.
Mensen varen op een boot in het Super-Kamiokande-reservoir.
Als er onderhoud in de tank moet worden uitgevoerd, bijvoorbeeld om defecte sensoren te vervangen, moeten de onderzoekers een rubberboot gebruiken (zie foto hierboven).
Toen Matthew Malek een afgestudeerde student was aan de Universiteit van Sheffield, hadden hij en twee andere studenten het "geluk" om soortgelijk werk te ondernemen. Tegen het einde van de werkdag, toen het tijd was om naar boven te gaan, ging een speciaal ontworpen drop-down gondel kapot. De natuurkundigen hadden geen andere keuze dan terug te keren naar de boten en te wachten tot het gerepareerd was.
“Toen ik op mijn rug in deze boot lag en met anderen praatte, begreep ik niet meteen hoe een klein stukje van mijn haar, letterlijk niet meer dan drie centimeter lang, dit water raakte”, zegt Malek.
Terwijl ze in de Super-Kamiokande zweefden en de wetenschappers boven de gondel repareerden, maakte Malek zich nergens zorgen over. Hij werd de volgende ochtend vroeg ongerust toen hij besefte dat er iets vreselijks was gebeurd.
“Ik werd om 3 uur 's nachts wakker van een ondraaglijke jeuk op mijn hoofd. Het was waarschijnlijk de ergste jeuk die ik ooit in mijn leven heb meegemaakt. Erger dan waterpokken, die ik als kind had. Het was zo verschrikkelijk dat ik gewoon niet meer kon slapen”, vervolgde de wetenschapper.
Malek realiseerde zich dat een druppel water die op de punt van zijn haar viel, alle voedingsstoffen eruit zoog en dat hun tekort zijn schedel bereikte. Hij haastte zich naar de douche en bracht daar meer dan een half uur door om zijn haar terug te krijgen.
Een ander verhaal werd verteld door Vasco. Hij hoorde dat het personeel in 2000 tijdens onderhoud water uit de tank spoelde en onderaan de omtrek van een moersleutel vond.
“Blijkbaar is deze sleutel per ongeluk achtergelaten door een van de medewerkers toen ze in 1995 de tank met water vulden. Nadat ze in 2000 water hadden doorgespoeld, ontdekten ze dat de sleutel was opgelost."
Super-Kamiokande 2.0
Ondanks het feit dat "Super-Kamiokande" al een zeer grote neutrinodetector is, hebben wetenschappers voorgesteld om een nog grotere installatie te creëren genaamd "Hyper-Kamiokande".
“Als we goedkeuring krijgen voor de bouw van Hyper-Kamiokande, dan is de detector rond 2026 klaar voor gebruik”, zegt Vasco.
Volgens het voorgestelde concept zal de Hyper-Kamiokande-detector 20 keer groter zijn dan de Super-Kamiokande. Het is de bedoeling om ongeveer 99.000 fotovermenigvuldigers te gebruiken.
Nikolay Khizhnyak
