Hyper-Kamiokande: японський гігантський детектор нейтрино

Спіймати мигцем найбільш невловиму частинку

З розвитком фундаментальної фізики ми починаємо краще розуміти субатомні частинки, з яких складається наш Всесвіт.

Однак деякі питання залишаються без відповіді, зокрема єдина теорія фізики, яка об'єднує теорію відносності Ейнштейна та квантову фізику. Точна природа антиматерії та гравітації, ймовірно, є ключовим відсутнім елементом.

Для їх вивчення необхідне краще розуміння невловимого типу частинок, які називаються нейтрино. Цього можна буде незабаром досягти завдяки серії нових експериментів з нейтрино.

Раніше ми розглядали два з них: Підземна нейтринна обсерваторія Цзянмень (ЧЕРВОНЬ) і Глибоко підземний нейтринний експеримент (DUNE).

Ще одним важливим мегапроектом з нейтрино є японський Гіпер-Каміоканде, наступник і розширена версія Супер-Каміоканде, попереднього експерименту, який революціонізував наше розуміння нейтрино.

джерело: Обсерваторія Каміока

Що таке нейтрино?

Нейтрино — це електрично нейтральні частинки з надзвичайно малою масою, настільки малою, що довгий час вважалося, що вона дорівнює нулю.

Наразі ми не знаємо, чому нейтрино мають масу, за винятком того, що він, здається, працює іншим способом, ніж для інших частинок.

Унікальність нейтрино полягає в тому, що вони, по суті, є «примарними» частинками, які майже не взаємодіють з іншими формами матерії. Це пояснюється тим, що нейтрино взаємодіють лише з двома з чотирьох фундаментальних сил у Всесвіті: гравітацією та слабкою взаємодією.

Оскільки слабка взаємодія має дуже короткий радіус дії, а гравітація майже не впливає на нейтрино малої маси, нейтрино зазвичай проходять крізь речовину, не взаємодіючи та не сповільнюючись. У результаті нейтрино зазвичай подорожують майже зі швидкістю світла.

Нейтрино – це фундаментальні частинки, які неможливо розбити на менші компоненти та бувають трьох варіантів: електронні нейтрино, мюонні нейтрино та тау-нейтрино. Ситуацію ще більше ускладнює те, що нейтрино, здається, регулярно переходять між цими трьома варіантами.

Перехід між усіма трьома варіантами нейтрино пов'язаний з масою кожного типу нейтрино та містить відповіді про фундаментальну природу матерії та самого Всесвіту.

Експерименти з осциляціями сонячних нейтрино, атмосферних нейтрино, а також нейтрино з ядерних реакторів і прискорювачів надали перші докази фізики, що виходять за рамки Стандартної моделі фізики елементарних частинок. 

Також можливо, що 4^th існує також тип нейтрино, стерильні нейтрино, які взаємодіяли б з матерією лише через гравітацію, що робить їх ще важчими для виявлення, ніж інші.

А ще є антинейтрино, версія з антиречовини, які ще менш вивчені і які стануть важливим фокусом Гіпер-Каміоканде.

Більшість нейтрино утворюється в результаті ядерних реакцій, від ядерного синтезу в зірках до радіоактивного розпаду в центрі Землі.

Незважаючи на їхню невловимість, нейтрино вважаються найпоширенішою частинкою у Всесвіті. Приблизно тисяча трильйон Нейтрино проходять через наші тіла щосекунди.

(Ви можете дізнатися більше про нейтрино на спеціальному вебсайті «все, що стосується нейтрино«створений Fermilab).

Дизайн гіпер-Каміоканде

Від Kamiokande → Super-K → Hyper-K

Гіпер-Каміоканде є спадкоємцем Каміоканде та Супер-Каміоканде, попередніх менших версій детекторів нейтрино, побудованих на тому ж дослідницькому полігоні в Японії відповідно у 1983 та 1996 роках.

Каміоканде була першою обсерваторією, яка виявила нейтрино від вибуху наднової та від нашого Сонця, створивши галузь нейтринної астрономії.

Супер-Каміоканде був відповідальним за відкриття нейтринних коливань, показавши, що нейтрино мають масу.

Ядро детектора Hyper-Kamiokande складається з циліндричного резервуара з глибиною води 71 м і діаметром 68 м. Це зробить його найбільшим у світі підземним резервуаром для води.

Кожна з ітерацій концепції ставала все більшою та масивнішою, що допомагало підвищити якість можливостей виявлення нейтрино. Наприклад, Каміоканде використовував 4,500 тонн води, Супер-Каміоканде — 50 000 тонн, а Гіпер-Каміоканде використовуватиме 260 000 тонн.

джерело: Гіпер-Каміоканде

На стінці резервуара для води встановлено 20 000 надчутливих фотосенсорів та 1,000 фотосенсорів типу «очко» для виявлення дуже слабкого черенковського світла, що генерується у воді. Це приблизно в 4 рази більше, ніж у Супер-Каміоканде, та в 40 разів більше, ніж у Каміоканде.

Фотопомножувачі подібні до сенсорів (пікселів) надвисокопродуктивної камери. Завдяки цьому Гіпер-Каміоканде — це гігантська камера, здатна вловлювати навіть один фотон. Вони настільки чутливі, що могли б вловлювати світло від ліхтарика на поверхні Місяця.

Цих результатів було досягнуто завдяки вдосконаленій конструкції фотосенсора, який може витримувати вдвічі більший тиск води та має вдвічі меншу залишкову фонову радіоактивну активність, ніж попередні версії.

Вода Черенков: Перетворення колій на світло

Ключовою концепцією серії обсерваторій Каміоканде є «водний черенковський детектор». Він виявляє слабке блакитнувате світло, що випромінюється зарядженими частинками, що рухаються крізь воду швидше за швидкість світла у воді (яка нижча, ніж у повітрі чи вакуумі).

Коли нейтрино потрапляє на атоми у воді, вони створюють заряджені частинки, а також черенковське випромінювання конусоподібної форми вздовж свого шляху.

Час та інтенсивність світлових сигналів використовуються для реконструкції властивостей вихідної частинки.

Перехід під землю

Гіпер-Каміоканде побудовано під горою, щоб зменшити перешкоди від інших частинок, окрім нейтрино. Космічні промені, радіоактивність та інші перешкоди можуть створювати сигнал, подібний до того, як нейтрино вражають молекули води.

Опинившись під глибоким шаром гірських порід, вплив цих інших джерел енергії стає незначним, залишаючи лише невловимі нейтрино як можливі причини.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Причина величезного об'єму води полягає в тому, що нейтрино дуже рідко взаємодіють з матерією. Тому чим більше «реактивної маси», тим більша ймовірність того, що якась взаємодія відбудеться та буде виявлена.

Щоб ще більше збільшити ймовірність реакції з проходженням нейтрино, до води додають розчинний гадоліній у формі октагідрату сульфату гадолінію з концентрацією гадолінію 0.01% за вагою.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Коли нейтрино взаємодіє з водою, воно може утворювати нейтрони. Атоми гадолінію потім захоплюють ці нейтрони завдяки своєму великому поперечному перерізу захоплення нейтронів, випромінюючи гамма-випромінювання, яке можна виявити.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Гадоліній природним чином присутній у ґрунті Японії в концентрації приблизно від 3 до 7 ppm, тому вважається, що проєкт не створює ризику забруднення через витоки води.

Промінь J-PARC + Природні джерела

Окрім природних нейтрино, таких як атмосферні та сонячні нейтрино, буде використано високоінтенсивний та високоякісний пучок нейтрино з прискорювача частинок J-PARC у Токаї.

Очікується, що після збільшення потужності пучка J-PARC Гіпер-Каміокенде спостерігатиме в 20 разів більше нейтрино, ніж у попередніх експериментах. Гіпер-Каміокенде та J-PARC розділяє 295 км (183 милі), що є достатньо великою відстанню для вивчення переходу від одного типу нейтрино до іншого.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Кожен з детекторів Hyper-Kamiokande поділений на «Внутрішній детектор» та «Зовнішній детектор», які оптично розділені один від одного.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Внутрішній детектор є основним детектором, тоді як роль зовнішнього детектора полягає у відсіканні падаючих мюонів космічних променів, які складають частину фону під час вимірювання розпадів нуклонів та нейтрино. Понад 99.9% мюонів космічних променів, що досягають детектора, видаляються після того, як їх вже сильно відфільтрувала гора над ним.

(Щоб дізнатися більше про дизайн гіпер-Каміоканде, Ви також можете ознайомитися з цим повним офіційним звітом про дизайн на 282 сторінки.)
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Примітки: Маса/розмір, фотоефекти та мюон-вето зі сторінок Hyper-K/SK; цифри SK-Gd з документації SK-Gd.

Розклад Гіпер-Каміоканде

Проєкт було затверджено у 2020 році, а земляні роботи тунелю розпочалися у 2021 році разом із масовим виробництвом фотоелектронних помножувачів.

Основні розкопки печери для детектора були завершені в червні 2025 року.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Відтоді розпочалося будівництво самої обсерваторії, перші спостереження очікуються у 2028 році.

Слід зазначити, що хоча ця конструкція є складною та дуже потужною, вона зрештою зараз добре вивчена та будується відносно швидко порівняно з іншими мегапроектами фундаментальної фізики та телескопами наступного покоління.

Голи Гіпер-Каміоканде

Головна мета Гіпер-Каміоканде полягає в тому, щоб з'ясувати історію еволюції Всесвіту та Теорія великого об'єднання фізики, яка об'єднала всі фундаментальні сили Всесвіту в одне спільне рівняння, ситуація, яка, як вважається, ненадовго існувала рівно через 0.00000000001 секунди після Великого вибуху.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Сонячні та наднові нейтрино — і пошуки темної матерії

Завдяки більшій масі та ефективності, Гіпер-Каміоканде зможе виявляти набагато більше нейтрино, що надходять від нашого Сонця та далеких зірок, що вибухають.

Спостерігаючи за спеціальними типами нейтрино, він зможе краще зрозуміти реакції термоядерного синтезу на Сонці та здійснити перше спостереження потоку нейтрино високої енергії HEP.

Наднові зірки є ще одним великим джерелом нейтрино в небі, створюючи масивні спалахи під час вибухів. 23 лютого 1987 року Каміоканде спостерігав нейтрино від вибуху наднової, що стався у Великій Магеллановій Хмарі.

джерело: HP Шіо

На жаль, під час експериментів із Супер-Каміоканде вибухів наднових не сталося.

Завдяки більшому діапазону виявлення, Гіпер-Каміоканде має набагато більше шансів вловити вибухи наднових. Якщо в нашій галактиці (10 кпк) станеться наднова, Гіпер-Каміоканде зможе виявити приблизно 50 000 нейтрино.

Це має дати вченим уявлення не лише про детальні механізми вибухів наднових, але й для подальшого розуміння природи нейтрино.

Гіпер-К та DUNE майже ідеально доповнюють себе у своїй чутливості до нейтрино наднових, причому DUNE виявляє νe (через розсіювання на аргоні) та Гіпер-К ν̅e (через зворотний бета-розпад).

Гіпер-Каміоканде може навіть виявити дифузний нейтрино-фон наднових, що походить від дуже далеких вибухів наднових, які накопичили потік нейтрино протягом усієї історії Всесвіту.

Ці специфічні випромінювання будуть особливо добре виявлені завдяки додаванню гадолінію до детектора (зворотний бета-розпад, замість просто мюонних розпадів нейтрино).

Зрештою, темна матерія також може бути відповідальною за утворення нейтрино. Тож, якщо таке джерело нейтрино буде виявлено в місці з високою концентрацією темної матерії, як-от у центрі галактики, це може допомогти з'ясувати природу темної матерії.

Пошук розпаду протонів

Час від часу розпад протонів на легші субатомні частинки, такі як нейтральний піон і позитрон, – це те, що фізики намагалися довести існування та виміряти з моменту створення оригінального Каміоканде.

Зокрема, Гіпер-Каміоканде зможе виявляти гамма-випромінювання з енергією 2.2 МеВ від захоплення нейтронів на водні, що буде окремою подією виявлення від тієї, що спричинена нейтрино.

Якщо детектор виміряє розпад протонів, він не лише доведе, що це відбувається, але й допоможе оцінити швидкість цього розпаду, яка була переглянута в бік збільшення, коли Супер-Каміоканде не виявив жодного протона, а також те, як вони розпадаються.

Якщо досі нічого не буде виявлено, це змусить фізиків з'ясувати, чому протони розпадаються ще менше, ніж вважалося раніше, або, можливо, взагалі не розпадаються.

Ніхто не знає відповіді на питання, коли можна спостерігати розпад протона і чи взагалі він справді руйнується. Однак ми не можемо рухатися вперед, не провівши експеримент.

Я вважаю, що протони розпадаються. Ми сподіваємося, що читачі з нетерпінням чекатимуть дня, коли буде відкрито розпад протона.

Доктор Масато Шіозава, спів-представник Hyper-Kamiokande.

Порушення CP: Чому перемогла справа

Фізики вважають, що на початку Всесвіту була створена однакова кількість матерії та антиматерії.

Коливання нейтрино можуть відрізнятися від коливань антинейтрино, гіпотетичного явища, яке називається Порушення КП, або розбивка спряження зарядів-Парність (CP) симетрія.

джерело: Гіпер-Каміоканде

Порушення CP-правила вже було підтверджено для кварків (складових частин протонів і нейтронів). Однак, це лише одна трильйонна частина різниці, необхідної для створення сучасного Всесвіту.

Нейтрино та антинейтрино, створені в прискорювачі частинок J-PARC, будуть ключовими для цього експерименту.

Hyper-Kamiokande планує збільшити інтенсивність цього променя J-PARC у 2.5 рази порівняно з Super-Kamiokande, щоб зменшити похибки через недостатню кількість даних та збільшити кількість вимірювань для подальшого підвищення надійності.

Очікується, що через 10 років можна буде визначити, чи порушена CP-симетрія для нейтрино, а результати будуть отримані у 2030-х роках.

Висновок

Нейтринні обсерваторії, такі як Гіпер-Каміоканде, DUNE та JUNO, ймовірно, стануть дуже важливими науковими експериментами, які нарешті вирішать питання фізики, що залишалися без відповіді протягом десятиліть і блокували розвиток подальшого прогресу в теоретичній фізиці.

Хоча це може здатися дещо далеким від наших повсякденних турбот, багато наших передових технологій насправді потребують кращого розуміння нейтрино для прогресу.

Наприклад, квантовий обчислювальний чіп (Majorana-1), нещодавно створений Microsoft (MSFT )

буквально створив новий стан матерії (топопровідники) за допомогою майоранівської частинки, типу частинки, яка є власною античастинкою.

Так само, краще розуміння реакції термоядерного синтезу на Сонці може допомогти нам розблокувати штучний термоядерний синтез.

Тож краще розуміння нейтрино, антиречовини чи темної матерії — це не просто гігантський науковий проект, а й може мати дуже пряме застосування в розробці нових технологій, що змінюють світ, таких як квантові обчислення або термоядерні електростанції.

Інвестування в нейтрино-науку

1 Microsoft

Microsoft є однією з найбільших технологічних компаній світу, яка має квазімонополію на операційні системи та дуже сильні позиції на ринку програмного забезпечення B2B завдяки своєму програмному забезпеченню Office365, хмарним обчислювальним системам Azure, соціальним мережам LinkedIn, а також сильній присутності у сфері відеоігор (Xbox та багато найбільших у світі студій відеоігор), реклами та інструментів програмування (GitHub).

Компанія також дуже активно працює у сфері штучного інтелекту, зокрема, впроваджуючи технологію Copilot AI у всі свої продукти. Спочатку Microsoft розробляла технологію штучного інтелекту у співпраці з OpenAI, а тепер працює більше самостійно.

джерело: Microsoft

Microsoft також активно займається квантовими обчисленнями, здійснивши приголомшливий анонс свого чіпа Majorana-1.

Після охолодження майже до абсолютного нуля та налаштування магнітних полів ці пристрої утворюють топологічні надпровідні нанодроти, що містять так звані нульові моди Майорани (MZM) на кінцях проводів.

джерело: Microsoft

(Ви можете прочитати більше про всю діяльність та можливості Microsoft у нашому спеціальному інвестиційному звіті про компанію.)

2. Енергія нейтрино

Хоча наука про нейтрино має багато потенційних застосувань у майбутньому, вона, здається, далека від безпосереднього використання в комерційних цілях.

Це може змінитися, за словами дуже амбітного німецького приватного стартапу Neutrino Energy.

Компанія досліджує дуже нову концепцію нейтриновольтаїки, або генерації електроенергії з постійного потоку нейтрино навколо нас. Це працює за допомогою шару графену, 2D матеріал з карбону (перейдіть за посиланням для повного пояснення 2D-матеріалів, таких як графен або голден).

Цей метод спрямований на перетворення постійного руху атомів графену, що перебувають під впливом навколишнього випромінювання та частинок, таких як нейтрино, на корисну електрику. Хоча теоретично цей процес є перспективним, він все ще не доведений і залишається предметом експериментів. Подібне явище відбувається з графеном: нейтрино «штовхають» ядра атомів, як і атоми аргону в нейтринному детекторі DUNE.

Компанія анонсувала свій майбутній перший прототип під назвою Powercube, який має продемонструвати технологію, розроблену за допомогою штучного інтелекту.

Компанія також співпрацює з Центр матеріалів для електронних технологій (CMET) в Індії з метою «створити електромобіль із самозарядкою, що працює на нейтриновольтаїчній технології».

Важко сказати, наскільки близька ця концепція до комерціалізації, оскільки, схоже, наразі це лише концепція з невеликою кількістю розкриттів щодо потенційної вихідної потужності чи економіки.

Воно також настільки неординарне у своєму твердженні про безпаливне нескінченне джерело енергії, що є підставою для великої дози скептицизму, особливо враховуючи дуже низький рівень взаємодії нейтрино та інших форм матерії.

Але це, безумовно, найближче до «нейтринної компанії» з усіх, що зараз є на ринку, і потенційні інвестори повинні враховувати ризик оманливого представлення потенціалу технології.