Улучшение детектора поможет обнаружить древние нейтрино

Нейтринная обсерватория Super-Kamiokande в Японии получила относительно простую модернизацию, которая должна позволить ей заглянуть в прошлое.

Редкоземельный элемент под названием гадолиний был добавлен в воду огромного подземного сооружения, что сделает его более чувствительным к нейтрино от более далеких и древних сверхновых.

Нейтрино — это очень легкие элементарные частицы, которые редко взаимодействуют с обычным веществом. Таким образом, они обычно беспрепятственно летают через большинство предметов — фактически, миллиарды проходят через наше тело каждую секунду. Но иногда они сталкиваются с электронами в атомах, и при определенных обстоятельствах эти столкновения можно наблюдать и изучать.

И здесь на помощь приходят такие обсерватории, как Super-Kamiokande. Детекторы нейтрино работают лучше всего, когда они находятся глубоко под землей или льдом, что позволяет отфильтровывать другое излучение. Super-K расположен на 1 км ниже горы Икено в Японии, где он обнаруживал нейтрино с 1996 года.

Активным инструментом объекта является огромный резервуар высотой 40 метров, наполненный примерно 50 миллионами литров сверхчистой воды, а стены облицованы 13 000 фотоумножителями.

Когда нейтрино входит в резервуар и ударяется о молекулу воды, оно создает крошечную вспышку света, которую усиливают фотоумножители, чтобы помочь оптическим сенсорам уловить ее.

Эти нейтрино имеют разные «отпечатки пальцев» вспышек в зависимости от их происхождения, которые могут включать Солнце, взрывы сверхновых, искусственные эксперименты, ядерные реакторы или распад протонов.

Сверхновые звезды особенно интересны, и хотя Super-K может обнаруживать те, которые происходят в нашей собственной галактике, эти события случаются не очень часто. Расширение поиска на другие галактики может увеличить количество пойманных нейтрино, но эти более далекие сигналы намного слабее и плохо выделяются на фоновом шуме.

Таким образом, новое обновление предназначено для усиления нейтринных сигналов от этих далеких сверхновых.

В июле около 13 тонн соединения гадолиния было добавлено в воду детектора, что привело к концентрации гадолиния около 0,01 процента. Некоторые взаимодействия нейтрино производят нейтроны, а гадолиний взаимодействует с этими частицами, вызывая вспышку гамма-излучения, которую оптические датчики могут легко обнаружить.

Важно отметить, что это не оказывает негативного влияния на обнаружение других нейтринных событий.

«При концентрации гадолиния 0,01% Super-Kamiokande должен обнаруживать нейтроны от столкновений нейтрино с 50-процентной эффективностью», — говорит Масаюки Накахата, руководитель проекта.

«Мы планируем увеличить концентрацию через несколько лет для повышения эффективности. Я надеюсь, что мы сможем наблюдать нейтрино от древних сверхновых в течение нескольких лет».

Ученые заявляют, что это обновление может позволить Super-K обнаруживать нейтрино от сверхновых, которые вспыхнули 10 миллиардов лет. Это могло бы научить нас больше о физике элементарных частиц и далекой истории Вселенной.