Японскую нейтринную обсерваторию Супер-Камиоканде (Super-K) модернизировали с помощью редкоземельного элемента под названием гадолиний. Химический элемент был добавлен в воду огромного подземного сооружения, что позволит станции обнаруживать нейтрино от более древних сверхновых и видеть взрывы сверхновых в далеких галактиках.
Super-K может обнаруживать различные виды нейтринных явлений, включая взрывы сверхновых в галактике Млечный путь. Станция располагается на 1 км под землей возле города Хида в центральной Японии. Обсерватория состоит из огромного цилиндра высотой 40 метров, который наполнен 50 млн литров воды.
Обсерватория работает с 1996 года и занимается наблюдениями нейтрино и субатомных частиц из солнечных, внесолнечных, земных и искусственных источников. Super-K обнаруживает частицы с помощью высокочувствительных оптических датчиков. Внутри нейтринной обсерватории стены облицованы 13000 фотоумножителями, которые обнаруживают вспышки света при столкновении нейтрино с электронами и молекулами воды.
Когда нейтрино попадает в резервуар станции и взаимодействует с молекулой воды, создается крошечная вспышка света, которую усиливают фотоумножители. Так оптические сенсоры могут уловить элементарные частицы.
Из-за крайней легкости частиц нейтрино, они обычно беспрепятственно пролетают через вещества и вещи — фактически, миллиарды проходят через тело человека каждую секунду. Но иногда нейтрино сталкиваются с электронами в атомах, и при определенных обстоятельствах эти столкновения можно наблюдать и изучать.
В зависимости от происхождения частиц, ученые могут получить информацию о вспышках на Солнце, взрывах сверхновых, искусственных экспериментах, работе ядерного реактора или распаде протонов.
Ученые особенно заинтересованы в сверхновых, ведь такие данные могут рассказать о происхождении галактик и звезд. Super-K может обнаруживать сверхновые в родной галактике, но более далекие сигналы намного слабее и плохо выделяются на фоне остальных.
Новейшее обновление предназначено для усиления нейтринных сигналов от далеких сверхновых. Около 13 тонн соединения гадолиния было добавлено в воду детектора. Концентрация вещества составляет около 0,01%. Некоторые взаимодействия нейтрино производят нейтроны, и гадолиний взаимодействует с этими частицами, вызывая вспышку гамма-излучения, которую оптические датчики могут легко обнаружить.
Руководитель проекта Масаюки Накахата говорит, что обсерватория должна обнаруживать нейтроны от столкновений нейтрино с эффективностью в 50%. Через несколько лет концентрацию вещества планируют увеличить для повышения эффективности.
«Я надеюсь, что мы сможем наблюдать нейтрино от древних сверхновых в течение нескольких лет», — сказал Масаюки Накахата.
Команда заявляет, что обновление позволит Super-K обнаруживать нейтрино от сверхновых, которые произошли более 10 млрд лет назад. Это может дать ученым новые данные о физике элементарных частиц и далекой истории Вселенной.