Versteckt in einer Tiefe von 1 km unter dem Berg Ikeno in der Zinkmine Kamioka, 290 km nördlich von Tokio (Japan), gibt es einen Ort, von dem jeder Superschurke aus einem Film oder einer Superheldengeschichte als sein Versteck träumen würde. Hier ist der "Super-Kamiokande" (oder "Super-K") - ein Neutrino-Detektor. Neutrinos sind subatomare Grundpartikel, die sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Sie können absolut alles und überall durchdringen. Die Beobachtung dieser fundamentalen Teilchen hilft Wissenschaftlern, kollabierende Sterne zu finden und neue Informationen über unser Universum zu erhalten. Business Insider sprach mit drei Mitarbeitern der Super-Kamiokande-Station und fand heraus, wie hier alles funktioniert und welche Experimente Wissenschaftler hier durchführen.
Eintauchen in eine subatomare Welt
Neutrinos sind sehr schwer zu erkennen. So schwierig, dass der berühmte amerikanische Astrophysiker und Popularisierer der Wissenschaft, Neil DeGrasse Tyson, sie einst als "die schwer fassbare Beute im Weltraum" bezeichnete.
„Materie ist für Neutrinos kein Hindernis. Diese subatomaren Partikel können Hunderte von Lichtjahren Metall passieren und sich nicht einmal verlangsamen “, sagte Degrass Tyson.
Aber warum versuchen Wissenschaftler überhaupt, sie zu fangen?
„Wenn eine Supernova-Explosion auftritt, fällt der Stern in sich zusammen und verwandelt sich in ein Schwarzes Loch. Wenn dieses Ereignis in unserer Galaxie auftritt, können Neutrino-Detektoren wie derselbe "Super-K" die im Rahmen dieses Prozesses emittierten Neutrinos einfangen. Es gibt weltweit nur sehr wenige solcher Detektoren “, erklärt Yoshi Uchida vom Imperial College London.
Bevor ein Stern zusammenbricht, stößt er Neutrinos in alle Richtungen des Weltraums aus, und Labors wie Super-Kamiokande dienen als Frühwarnsysteme, die Wissenschaftlern mitteilen, in welche Richtung sie schauen müssen, um die letzten Momente des Sternlebens zu sehen.
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„Vereinfachte Berechnungen besagen, dass Ereignisse einer Supernova-Explosion in dem Radius, in dem unsere Detektoren sie erkennen können, nur einmal alle 30 Jahre auftreten. Mit anderen Worten, wenn Sie eines verpassen, müssen Sie durchschnittlich mehrere Jahrzehnte auf das nächste Ereignis warten “, sagt Uchida.
Der Super-K-Neutrino-Detektor nimmt nicht nur Neutrinos auf, die ihn direkt aus dem Weltraum treffen. Darüber hinaus werden Neutrinos von der T2K-Versuchsanlage in Tokai im gegenüberliegenden Teil Japans übertragen. Der gesendete Neutrinostrahl muss ungefähr 295 Kilometer zurücklegen, danach tritt er in den Super-Kamiokande-Detektor im Westen des Landes ein.
Die Beobachtung, wie sich Neutrinos auf ihrem Weg durch die Materie verändern (oder oszillieren), kann Wissenschaftlern mehr über die Natur des Universums erzählen, beispielsweise über die Beziehung zwischen Materie und Antimaterie.
"Unsere Urknallmodelle legen nahe, dass Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen erzeugt werden müssen", sagte Morgan Vasco vom Imperial College London gegenüber Business Insider.
„Der Hauptteil der Antimaterie ist jedoch aus irgendeinem Grund verschwunden. Es gibt viel mehr gewöhnliche Materie als Antimaterie."
Wissenschaftler glauben, dass das Studium von Neutrinos einer der Wege sein könnte, auf denen die Antwort auf dieses Rätsel endlich gefunden wird.
Wie Super Kamiokande Neutrinos fängt
Super Kamiokande liegt 1.000 Meter unter der Erde und hat ungefähr die Größe eines 15-stöckigen Gebäudes.
Schema des Super-Kamiokande-Neutrino-Detektors.
Ein riesiger zylinderförmiger Edelstahltank ist mit 50.000 Tonnen speziell gereinigtem Wasser gefüllt. Durch dieses Wasser bewegt sich Neutrino mit Lichtgeschwindigkeit.
"Neutrinos, die in den Stausee gelangen, erzeugen Licht in einem ähnlichen Muster wie die Concorde die Schallmauer durchbrochen hat", sagt Uchida.
„Wenn sich das Flugzeug sehr schnell bewegt und die Schallmauer durchbricht, entsteht dahinter eine sehr starke Stoßwelle. In ähnlicher Weise erzeugen Neutrinos, die durch Wasser laufen und sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, eine Lichtschockwelle “, erklärt der Wissenschaftler.
An den Wänden, an der Decke und am Boden des Tanks sind etwas mehr als 11.000 spezielle vergoldete "Glühbirnen" installiert. Sie werden Photovervielfacher genannt und sind sehr lichtempfindlich. Sie sind es, die diese von den Neutrinos erzeugten Lichtschockwellen einfangen.
Fotovervielfacher sehen so aus.
Morgan Vasco beschreibt sie als "Gegenlichtbirnen". Diese Geräte sind so überempfindlich, dass sie selbst mit Hilfe eines Lichtquants einen elektrischen Impuls erzeugen können, der dann von einem speziellen elektronischen System verarbeitet wird.
Trink kein Wasser, du wirst ein Kind
Damit das Licht der von Neutrinos erzeugten Stoßwellen die Sensoren erreicht, muss das Wasser im Tank kristallklar sein. So sauber, dass man es sich gar nicht vorstellen kann. Bei Super-Kamiokanda durchläuft es einen ständigen Prozess der speziellen mehrstufigen Reinigung. Wissenschaftler bestrahlen es sogar mit ultraviolettem Licht, um alle möglichen Bakterien darin abzutöten. Infolgedessen wird sie so, dass sie bereits Entsetzen nimmt.
„Hochreines Wasser kann alles auflösen. Hochreines Wasser ist hier eine sehr, sehr unangenehme Sache. Es hat saure und alkalische Eigenschaften “, sagt Uchida.
"Selbst ein Tropfen dieses Wassers kann Ihnen so viel Ärger bereiten, von dem Sie nie geträumt haben", fügt Vasco hinzu.
Die Menschen segeln auf einem Boot im Super-Kamiokande-Stausee.
Wenn Wartungsarbeiten im Tank durchgeführt werden müssen, um beispielsweise ausgefallene Sensoren auszutauschen, müssen die Forscher ein Gummiboot verwenden (siehe Abbildung oben).
Als Matthew Malek ein Doktorand an der Universität von Sheffield war, hatten er und zwei andere Studenten das "Glück", ähnliche Arbeiten zu verrichten. Am Ende des Arbeitstages, als es Zeit war, nach oben zu gehen, brach eine speziell entworfene Klappgondel zusammen. Die Physiker hatten keine andere Wahl, als zu den Booten zurückzukehren und auf die Reparatur zu warten.
„Ich habe nicht sofort verstanden, als ich in diesem Boot auf dem Rücken lag und mit anderen sprach, wie ein winziger Teil meines Haares, buchstäblich nicht länger als drei Zentimeter, dieses Wasser berührte“, sagt Malek.
Als sie in der Super-Kamiokande schwebten und die Wissenschaftler oben die Gondel reparierten, machte sich Malek um nichts Sorgen. Am nächsten Morgen machte er sich früh Sorgen, als ihm klar wurde, dass etwas Schreckliches passiert war.
„Ich bin um 3 Uhr morgens von einem unerträglichen Juckreiz auf meinem Kopf aufgewacht. Es war wahrscheinlich der schlimmste Juckreiz, den ich je in meinem Leben erlebt habe. Schlimmer als Windpocken, die ich als Kind hatte. Es war so schrecklich, dass ich einfach nicht mehr schlafen konnte “, fuhr der Wissenschaftler fort.
Malek erkannte, dass ein Wassertropfen, der auf seine Haarspitze fiel, alle Nährstoffe von ihnen "trocken saugte" und ihr Mangel seinen Schädel erreichte. Er eilte in Eile zur Dusche und verbrachte dort mehr als eine halbe Stunde damit, seine Haare zurückzubekommen.
Eine andere Geschichte wurde von Vasco erzählt. Er hörte, dass im Jahr 2000 während der Wartung Personal Wasser aus dem Tank spülte und den Umriss eines Schraubenschlüssels am Boden fand.
„Anscheinend wurde dieser Schlüssel versehentlich von einem der Mitarbeiter hinterlassen, als sie 1995 den Tank mit Wasser füllten. Nachdem sie im Jahr 2000 Wasser gespült hatten, stellten sie fest, dass sich der Schlüssel aufgelöst hatte."
Super-Kamiokande 2.0
Trotz der Tatsache, dass "Super-Kamiokande" bereits ein sehr großer Neutrino-Detektor ist, haben Wissenschaftler vorgeschlagen, eine noch größere Installation namens "Hyper-Kamiokande" zu erstellen.
„Wenn wir die Genehmigung für den Bau von Hyper-Kamiokande erhalten, ist der Detektor um 2026 betriebsbereit“, sagt Vasco.
Nach dem vorgeschlagenen Konzept ist der Hyper-Kamiokande-Detektor 20-mal größer als der Super-Kamiokande. Es ist geplant, etwa 99.000 Fotovervielfacher einzusetzen.
Nikolay Khizhnyak
