Nascosto a una profondità di 1 km sotto il Monte Ikeno, nella miniera di zinco di Kamioka, 290 km a nord di Tokyo (Giappone), c'è un luogo che qualsiasi supercriminale di qualsiasi film o storia di supereroi sognerebbe come sua tana. Ecco il "Super-Kamiokande" (o "Super-K") - un rilevatore di neutrini. I neutrini sono particelle fondamentali subatomiche che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria. Sono in grado di penetrare assolutamente tutto e ovunque. L'osservazione di queste particelle fondamentali aiuta gli scienziati a trovare le stelle che collassano e ad apprendere nuove informazioni sul nostro universo. Business Insider ha parlato con tre dipendenti della stazione Super-Kamiokande e ha scoperto come funziona tutto qui e quali esperimenti stanno conducendo gli scienziati qui.
Immergersi in un mondo subatomico
I neutrini sono molto difficili da rilevare. Così difficile che il famoso astrofisico americano e divulgatore della scienza Neil DeGrasse Tyson una volta li definì "la preda più sfuggente nello spazio".
“La materia non rappresenta alcun ostacolo per i neutrini. Queste particelle subatomiche sono in grado di passare attraverso centinaia di anni luce di metallo e non rallentano nemmeno , ha detto Degrass Tyson.
Ma perché gli scienziati cercano persino di catturarli?
“Quando si verifica un'esplosione di supernova, la stella collassa su se stessa e si trasforma in un buco nero. Se questo evento si verifica nella nostra galassia, i rivelatori di neutrini come lo stesso "Super-K" sono in grado di catturare i neutrini emessi come parte di questo processo. Ci sono pochissimi rilevatori di questo tipo al mondo ", spiega Yoshi Uchida dell'Imperial College di Londra.
Prima che la stella collassi, lancia neutrini in tutte le direzioni dello spazio e laboratori come Super-Kamiokande fungono da sistemi di allerta precoce che dicono agli scienziati in quale direzione guardare per vedere gli ultimi momenti della vita delle stelle.
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“Calcoli semplificati dicono che gli eventi di un'esplosione di supernova nel raggio in cui i nostri rilevatori possono rilevarli, si verificano solo una volta ogni 30 anni. In altre parole, se ne perdi uno, dovrai aspettare in media diversi decenni prima del prossimo evento , afferma Uchida.
Il rilevatore di neutrini Super-K non rileva solo i neutrini che lo colpiscono direttamente dallo spazio. Inoltre, i neutrini gli vengono trasmessi dalla struttura sperimentale T2K situata nella città di Tokai, nella parte opposta del Giappone. Il fascio di neutrini inviato deve percorrere circa 295 chilometri, dopodiché entra nel rivelatore Super-Kamiokande situato nella parte occidentale del paese.
Osservare come i neutrini cambiano (o oscillano) mentre viaggiano attraverso la materia può dire agli scienziati di più sulla natura dell'universo, come la relazione tra materia e antimateria.
"I nostri modelli Big Bang suggeriscono che materia e antimateria dovevano essere create in proporzioni uguali", ha detto a Business Insider Morgan Vasco dell'Imperial College di Londra.
“Tuttavia, la parte principale dell'antimateria, per un motivo o per l'altro, è scomparsa. C'è molta più materia ordinaria dell'antimateria."
Gli scienziati ritengono che lo studio dei neutrini possa essere uno dei modi attraverso i quali si troverà finalmente la risposta a questo enigma.
Come Super Kamiokande cattura i neutrini
Situato a 1.000 metri sotto terra, Super Kamiokande è qualcosa di simile, delle dimensioni di un edificio di 15 piani.
Schema del rivelatore di neutrini Super-Kamiokande.
Un enorme serbatoio in acciaio inossidabile a forma di cilindro viene riempito con 50mila tonnellate di acqua appositamente purificata. Passando attraverso quest'acqua, il neutrino si muove alla velocità della luce.
"I neutrini che entrano nel serbatoio producono luce in un modello simile a come il Concorde ha rotto la barriera del suono", dice Uchida.
“Se l'aereo si muove molto rapidamente e rompe la barriera del suono, dietro di esso si crea un'onda d'urto molto potente. Allo stesso modo, i neutrini che passano attraverso l'acqua e si muovono più velocemente della velocità della luce creano un'onda d'urto leggera , spiega lo scienziato.
Sono poco più di 11.000 le speciali "lampadine" dorate installate sulle pareti, sul soffitto e sul fondo della vasca. Si chiamano fotomoltiplicatori e sono molto sensibili alla luce. Sono loro che catturano queste onde d'urto leggere create dai neutrini.
I fotomoltiplicatori hanno questo aspetto.
Morgan Vasco le descrive come "lampadine a luce posteriore". Questi dispositivi sono così ipersensibili che anche con l'aiuto di un quanto leggero sono in grado di generare un impulso elettrico, che viene poi elaborato da uno speciale sistema elettronico.
Non bere acqua, diventerai un bambino
Affinché la luce delle onde d'urto generate dai neutrini raggiunga i sensori, l'acqua nel serbatoio deve essere cristallina. Così pulito che non puoi nemmeno immaginare. A Super-Kamiokanda, passa attraverso un processo costante di pulizia speciale multilivello. Gli scienziati lo irradiano persino con la luce ultravioletta per uccidere tutti i possibili batteri al suo interno. Di conseguenza, diventa tale da provare già orrore.
“L'acqua ultra purificata può sciogliere qualsiasi cosa. L'acqua ultra purificata è una cosa molto, molto spiacevole qui. Ha proprietà acide e alcaline , afferma Uchida.
"Anche una goccia di quest'acqua può causare così tanti problemi che non avresti mai immaginato", aggiunge Vasco.
Le persone navigano su una barca all'interno del bacino di Super-Kamiokande.
Se è necessario eseguire la manutenzione all'interno del serbatoio, ad esempio per sostituire i sensori guasti, i ricercatori devono utilizzare un gommone (nella foto sopra).
Quando Matthew Malek era uno studente laureato all'Università di Sheffield, lui e altri due studenti furono "fortunati" a intraprendere un lavoro simile. Alla fine della giornata lavorativa, quando era ora di salire le scale, una cabinovia a discesa appositamente progettata si è rotta. I fisici non avevano altra scelta che tornare alle barche e aspettare che venissero riparate.
"Non ho capito immediatamente quando ero sdraiato sulla schiena su questa barca e parlavo con gli altri, come una minuscola parte dei miei capelli, letteralmente non più di tre centimetri di lunghezza, toccasse quest'acqua", dice Malek.
Mentre galleggiavano all'interno del Super-Kamiokande e gli scienziati al piano di sopra riparavano la gondola, Malek non era preoccupato per nulla. La mattina dopo si preoccupò presto, rendendosi conto che era successo qualcosa di terribile.
“Mi sono svegliato alle 3 del mattino per un prurito insopportabile alla testa. Probabilmente è stato il peggior prurito che abbia mai provato in vita mia. Peggio della varicella, che avevo da bambino. Era così terribile che semplicemente non riuscivo più a dormire , ha continuato lo scienziato.
Malek si rese conto che una goccia d'acqua caduta sulla punta dei suoi capelli "risucchiava" tutti i nutrienti da loro e la loro carenza raggiungeva il suo cranio. Corse in fretta alla doccia e vi trascorse più di mezz'ora, cercando di riprendersi i capelli.
Un'altra storia è stata raccontata da Vasco. Ha sentito che nel 2000, durante la manutenzione, il personale ha tirato l'acqua dal serbatoio e ha trovato il contorno di una chiave inglese sul fondo.
“A quanto pare questa chiave è stata accidentalmente lasciata da uno dei dipendenti quando hanno riempito il serbatoio con acqua nel 1995. Dopo aver lavato l'acqua nel 2000, hanno scoperto che la chiave si era dissolta.
Super-Kamiokande 2.0
Nonostante il fatto che "Super-Kamiokande" sia già un rilevatore di neutrini molto grande, gli scienziati hanno proposto di creare un'installazione ancora più grande chiamata "Hyper-Kamiokande".
"Se otteniamo l'approvazione per la costruzione di Hyper-Kamiokande, il rilevatore sarà pronto per il funzionamento intorno al 2026", afferma Vasco.
Secondo il concetto proposto, il rilevatore Hyper-Kamiokande sarà 20 volte più grande del Super-Kamiokande. Si prevede di utilizzare circa 99.000 fotomoltiplicatori.
Nikolay Khizhnyak
