Pamėginti įminti pragaištingiausių kosmoso gelmių mįsles – kodėl gi ne? Vieno iš stambiausių tarptautinių tyrimų projektų dalyviai viliasi, jog į daugybę klausimų atsakymus pavyks išgauti iš... kosminės kilmės neutrinų. Tiesa, pirmiausiai bent vieną iš jų reikia sugauti.
Antras didžiausias statinys žmonijos istorijoje po Didžiosios Kinų Sienos – toks per artimiausius kelerius metus turėtų iškilti Viduržemio jūros dugne. Ne, nuo likusio pasaulio atsitvėrinėti povandeninėmis sienomis Europos Sąjunga tikrai nesiruošia. Tačiau pamėginti įminti pragaištingiausių kosmoso gelmių mįsles – kodėl gi ne? Vieno iš stambiausių tarptautinių tyrimų projektų dalyviai viliasi, jog į daugybę klausimų atsakymus pavyks išgauti iš... kosminės kilmės neutrinų. Tiesa, pirmiausiai bent vieną iš jų reikia sugauti.
Viduržemio jūros dugne – įspūdingo dydžio neutrinų gaudyklė
Kosminės kilmės neutrinai: nekalti pragaro vaikai, kurių dar niekas neregėjo
Galbūt neutrinai gali arba negali judėti greičiau už šviesą, tačiau tai yra ypatingi visatos „sutvėrimai“. Jie kiaurai persmelkia mūsų planetą, mus pačius – viską. Neturėdami krūvio ir būdami labai maži, su juos supančia aplinka jie sąveikauja taip minimaliai, jog kitos dalelės neutrinų praktiškai nepastebi.
Šios subatominės dalelės yra tokios mažytės ir tokios nesutrikdomos, jog jų beveik neįmanoma užfiksuoti. O gimsta jos pačių destruktyviausių visatos procesų metu. Energingieji kosminės kilmės neutrinai (astrofiziniai neutrinai) susiformuoja tolimiausiose kosmoso gelmėse, ištrūkę iš juodžiausių ir galingiausių visatoje vietų – gama spindulių šaltinių, blazarų, kvazarų bei, žinoma, galaktikų centruose tūnančių supermasyvių juodųjų bedugnių.
Tam tikra prasme, neutrinai yra kosmoso pasiuntiniai, nešantys žinią iš pragaištingiausių visatos kampelių. Tačiau norint jų nešamas žinutes perskaityti, pirmiau reikia bent vieną iš jų sugauti. O tai – neįsivaizduojamai sudėtingas uždavinys. Nepaisant to, Europos mokslininkai planuoja statyti antrą didžiausią planetoje žmonijos istorijoje statinį – vien tam, kad į pavyktų „į akis“ pažvelgti labiausiai nuo pasaulio atsiribojusiai subatominei dalelei – neutrinui.
Titaniškoji povandeninė observatorija
Būsimasis gigantiškas povandeninis statinys – 960 metrų gylyje, Viduržemio jūros dugne iškilsiantis neutrinų detektorius, pavadinimu KM3NeT. Juo bus mėginama pamatyti Žemę persmelkiančius neutrinus. Net tris kubinius kilometrus vandens aprėpsiantis įrenginys vienuose iš judriausių planetos vandenų tarnaus ir kaip nauja okeanografinė observatorija – naudodamiesi ja, biologai galės klausytis banginių ir studijuoti bioliuminescensinius jūros organizmus. Kaip pareiškė italų fizikas Džordžijas Rikobenė (Giorgio Riccobene), tai bus didžiausias žmonijos statinys po Didžiosios Kinų Sienos.
„Vienintelė bėda – to įrenginio niekas nematys,“ – juokiasi Nacionalinio branduolinės fizikos instituto tyrėjas.
Kubiniame kilometre vandens bus po 100 bokštų
Kaip pasakoja Dž. Rikobenė, projekto tikslas – aptikti kosminių katastrofų epicentruose gimstančius astrofizinius neutrinus. Jie gali padėti paaiškinti, iš kur kilusi kosminė spinduliuotė – Žemę iš nenustatytų šaltinių nepaliaujamai bombarduojantis protonų srautas. Šie spinduliai yra neįtikėtinai galingi, nes jie sugeba prasiskverbti pro galaktikos, Saulės ir pačios Žemės magnetinius laukus. Bėda tik, jog toji kosminė spinduliuotė, skirtingai negu įprasti šviesos spinduliai, labai uoliai slepia, iš kur ji atsiranda. Padėti įminti šią paslaptį gali neutrinai.
„Tyrinėdami neutrinus, galėtume išzonduoti atokiausius, labiausiai neprieinamus ir labiausiai pražūtingus visatos regionus“, – tvirtina Dž. Rikobenė.
Beprecedentį įrenginį bendromis pastangomis statys 40 Europos tyrimų institutų ar universitetinių grupių iš dešimties valstybių, pradedant Jungtine Karalyste, baigiant Rumunija. Lapkričio 24 d. Italijos Tyrimų ministerija pirmajam neutrinų detektoriaus statybų etapui skyrė 20,8 mln. eurų. Didžiulę neutrinų gaudyklę sudarys 30 povandeninių bokštų su 37,2 tūkst. fotomultiplikacinių modulių. Šios mažos skaitmeninės vaizdo kameros fiksuos žybsnius, bylojančius apie kosminės kilmės neutrino „atvykimą“.
Nesustabdomieji
Su mokslo pasauliu retai susiduriantys žmonės apie neutrinus galbūt niekada ir nebūtų išgirdę, jei neseniai pasigirdę skandalingi italų fizikų kolektyvo pareiškimai, jog neutrinai yra greitesni už šviesą. Apie tai daug rašėme šį rudenį. OPERA eksperimento metu švystelėję greitieji neutrinai buvo sukurti protonų srautu, ir nuskriejo Alpių kalnų gelmėmis 732 km iš Ženevos Šveicarijoje į Gran Sasso kalną (jo viršūnėje įrengta fizikos laboratorija su OPERA detektoriumi) Italijoje.
Neutrinai išsiskiria ypatingose radioaktyvaus skilimo reakcijose, kurios vyksta ir Saulėje, branduoliniuose reaktoriuose, taip pat kosminiams spinduliams ar kitiems objektams susidūrus. Standartiniame modelyje postuluojama, jog egzistuoja trijų rūšių (būsenų) neutrinai – elektroniniai neutrinai, tau neutrinai ir miuoniniai neutrinai. Kiekvienas neutrinas gali keisti savo rūšį – keistas fenomenas, aptiktas tyrimų metu Japonijoje ir JAV.
Bokštų aukštis sieks daugiau kaip 800 metrų – jie, kaip planuojama, bus aukštesni už Dubajuje stūksantį aukščiausią planetoje dangoraižį „Burj Khalifa“
Neutrinai yra neutralūs (neturi krūvio) – iš čia ir jų pavadinimas, kurį sugalvojo Enrikas Fermis (Enrico Fermi). „Neutrino“ itališkai reiškia „kažkas mažas ir neutralus“ – jis gali nekliudomas persismelkti pro bet kokį kitą materialų kūną. Kaipgi taip?
Tai iliustruoja Masačusetso technologijų instituto (MIT) dalelių fiziko Piterio Fišerio (Peter Fisher) eksperimentas. Didelės energijos elektroną reikia paleisti į maždaug trijų centimetrų storio metalo plokštelę. Elektronas metalo atomuose sąveikaus (susidūrinės) su kitomis dalelėmis ir praras daug energijos. Energijos praradimas atsispindės kitose aptinkamose subatominėse dalelėse.
„Kad tas pats nutiktų neutrinui, reikėtų maždaug šviesmečio storio metalinės „plokštelės“, – tvirtina P. Fišeris. – Nes neutrinas su kitomis dalelėmis sąveikauja nepaprastai silpnai. Paprastai dalelės aptinkamos iš pėdsakų, kuriuos palieka jos sąveikavimas su kitų medžiagų (vandens, plieno, oro, ledo ar kt.) dalelėmis. Kuo mažiau dalelė sąveikauja su kitomis dalelėmis, tuo „storesnės“ reikia plokštelės, kad ta sąveika įvyktų.“
Vietoj šviesmečio skersmens metalo luito – Viduržemio jūra
Vietoj šviesmečio storio metalo plokštelės, KM3NeT naudos... Viduržemio jūrą. Veikimo principas toks: kažkur kosmoso tyruose vienas iš galingiausių visatos darinių subatomines daleles suskaldo į dar smulkesnes sudėtines dalis. Proceso metu išsiskiria nepaprastai energingi neutrinai. Atsitiktinai keletas tokių neutrinų gali atklysti ir į mūsų galaktiką ar net į gimtąją Žemelę, kur jie gali sužadinti tam tikrų krūvį turinčių dalelių atsaką. Kaip siūlo įsivaizduoti Dž. Rikobenė, kažkas panašaus į biliardo žaidimą.
„Neutrinas šiuo atveju būtų baltas rutulys, kuris išsklaido atomo branduolį – į tam tikrą struktūrą sustatytus kitus rutulius, – pasakoja italų fizikas. – Kai neutrinas smogia į tą atomo struktūrą, egzistuoja galimybė, jog išsiskirs tam tikra dalelė. Jei tai bus miuonas – krūviu pasižymintis subatominio pasaulio sutvėrimas, gerokai stambesnis elektrono pusbrolis – tuomet naujienos yra geros. Miuono susiformavimo metu išspinduliuojama mėlynos spalvos pluoštelis, vadinamas Čerenkovo spinduliuote. Jei fizikams pasiseks, toks mėlynas švystelėjimas gali įvykti skaidrioje ir gilioje terpėje – kur nors Antarktidos lede arba, pavyzdžiui, Viduržemio jūros vandenyje.“
„Būtent tos mėlynos švieselės mes ir ieškome, – tęsia Dž. Rikobenė. – Pagal ją galime rekonstruoti miuono trajektoriją. Tad, tam tikra prasme, neutrinų detektorius bus povandeninis teleskopas. Skaidrus vanduo sudarys sąlygas aiškiau matyti reakciją.“
Skaitmeninis optinis modulis
Trijų kilometrų tinklas
Nesunku numanyti, jog tokiems mėlynos švieselės stebėjimams reikės sudėtingos įrangos. Melsvuosius žybtelėjimus aptiksiantys optiniai jutikliai vadinami fotomultiplikacinėmis kameromis (angl. – „photomultiplier tubes“). Kiekviena iš jų gali registruoti elektroninį signalą, išskirtą vienintelio protono. KM3NeT detektoriuje šie jutikliai bus patalpinti į sferinius slėgio indus, kurie vadinami skaitmeniniais optiniais moduliais (angl. – „digital optical modules“). Visa tai bus panardinta į Viduržemio jūros vandenis ir sumontuota ant dugnan įkaltų bokštų.
Bokštų tinklas gali būti kelių konfigūracijų, tačiau visas jis aprėps kelis kubinius kilometrus jūros vandens – būtent taip iššifruojamas detektoriaus pavadinimas KM3NeT (kubinių kilometrų neutrinų teleskopas). Bokštų aukštis sieks daugiau kaip 800 metrų – jie, kaip planuojama, bus aukštesni už Dubajuje stūksantį aukščiausią planetoje dangoraižį „Burj Khalifa“.
Optiniai moduliai gebės atlaikyti šešių atmosferų slėgį. Kiekvienoje 17 colių (42 cm) skersmens sferoje bus įtaisyta po trisdešimt vieną maždaug 7 cm skersmens fotomultiplikacinę kamerą. Visas sensorių tinklas atrodys kaip povandeninių bokštų telkinys. Kubiniame kilometre vandens jų bus po 100 vienetų. Visus bokštus jungs centriniai nerūdijančio plieno vamzdžiai, kuriais drieksis šviesolaidis, sujungsiantis detektorių ir už kelių kilometrų krante likusią tyrimų stotį.
„Kosminės kilmės neutrinų, skirtingai nei atmosferinės kilmės neutrinų, dar niekas nėra aptikęs, – tvirtina Dž. Rikobenė. – 3 tūkst. miuonų per sekundę reikš, jog aptiktas atmosferinis neutrinas, o kokie bus kosminės kilmės neutrino parametrai, niekas nežino.“
Skaitmeninio optinio modulio vidus
Gigantomanija?
Kokia bus galutinė detektoriaus išvaizda, dar nenuspręsta – mat ir projekto finansavimas nėra nuoseklus ir tvirtas. Jei lėšų pakaks, KM3NeT detektorius bus didžiulis – penkiskart didesnis už Antarktidoje įrengtą atmosferinių neutrinų detektorių „IceCube“. Jei lėšų stigs, detektorius bus suskaidytas į tris vienetus. Reikalui esant, KM3NeT galės veikti kartu su jau veikiančiais mažesniais detektoriais, taip pat ir Europoje esančiu mažesniu detektoriumi „Antares“.
KM3NeT bus ne tik didžiausias, bet ir naujausias iš superdidelių ir superjautrių detektorių. Artimiausias jo konkurentas „IceCube“ buvo baigtas mažiau nei prieš metus, o jo pirmaisiais veikimo visu pajėgumu metais sukaupti duomenys nebus prieinami dar šešetą mėnesių. Tyrėjams šiuo Antarktidoje įrengtu detektoriumi pavyko užfiksuoti daug atmosferinių neutrinų, tačiau nė vieno, kuris būtų kosminės kilmės.
„IceCube“ ir KM3NeT – daug kuo panašūs: abu kaip foninės spinduliuotės filtrą naudoja Žemę (t. y., abu nukreipti ne į dangų, o į planetos gelmes), abu įrengti gilioje, tankioje terpėje. Tačiau jie bus nukreipti į skirtingas dangaus sritis (kitapus Žemės rutulio): „IceCube“ nukreiptas į šiaurinio pusrutulio dangų, o KM3NeT – į pietinio (beje, kaip tik ten iš Žemės turėtų būti matomas mūsų galaktikos centras. Be to, „IceCube“ yra gerokai mažesnis – tik vieno kubinio kilometro apimties.
„Didžiulio neutrinų detektoriaus idėją brandiname jau keletą dešimtmečių, - pasakoja „IceCube“ projekto atstovas spaudai Gregas Salivanas (Greg Sullivan). – Fizikai visada manė, jog lengviausia tokį bus įrengti kur nors giliai po vandeniu. Paaiškėjo, jog sąlyginai nebrangiai ir efektyviai tai galima padaryti Pietų ašigalyje, kur jau buvo reikiama infrastruktūra.“
Tiesa, detektorių gigantomaniją pateisina ne visi. P. Fišeris iš MIT domisi, kokio didumo įrenginys bus pakankamai didelis, kad fizikai pradėtų mąstyti apie kitas priežastis, apsprendžiančias, kodėl jie vis dar negali aptikti kosminės kilmės neutrinų.
„Fizikų bendruomenėje egzistuoja tam tikras segmentas mokslininkų, kurie argumentuoja, jog tai yra tokios didelės energijos dalelės, jog jokiame greitintuve tokios niekada neišgausi, ir tai yra tiesa. Tos dalelės gali mums daug papasakoti apie kosmosą – tai taip pat tiesa. Bet visa tai – tik „galbūt“. Kol kas nė vienas iš jų vykdytų eksperimentų nepateikė kažko visiškai naujo, – dėsto P. Fišeris. – Tas nenumalšinamas apetitas statyti vis didesnius detektorius kol kas neatnešė nieko efektyvaus.“
