Σούπερ-Καμιοκάντε

Ο Σούπερ-Καμιοκάντε (επισήμως Πείραμα Ανιχνεύσεως Νετρίνων Σούπερ-Καμιόκα, αγγλ. Super-KamiokaNDE = Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment, ιαπων. スーパーカミオカンデ, βραχυγραφείται επίσης ως Super-K ή SK) είναι παρατηρητήριο-ανιχνευτής νετρίνων, από τους μεγαλύτερους του είδους του στον κόσμο. Βρίσκεται κάτω από το όρος Ικένο, κοντά στην πόλη Χίντα, στον Νομό Τζίφου της Ιαπωνίας. Πιο συγκεκριμένα, είναι εγκατεστημένος χίλια μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, στο ορυχείο Μοζούμι. Σχεδιάστηκε για την ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας και τη μελέτη τόσο των ηλιακών, όσο και των ατμοσφαιρικών νετρίνων, αλλά και για να ανακαλύψει εάν το πρωτόνιο διασπάται, καθώς και για να ανιχνεύει πριν από τα οπτικά αστεροσκοπεία τυχόν εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων στον Γαλαξία μας.

Ο καθαυτό ανιχνευτής αποτελείται από μία κυλινδρική δεξαμένη γεμάτη με 50 χιλιάδες τόνους καθαρού νερού. Στερεωμένοι στο εσωτερικό της βρίσκονται περίπου 13 χιλιάδες φωτοπολλαπλασιαστές, που ανιχνεύουν φως παραγόμενο από ακτινοβολία Τσερενκόφ. Μια αλληλεπίδραση νετρίνου με υποατομικό σωματίδιο ενός μορίου του νερού μπορεί να παραγάγει ένα ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο που κινείται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός μέσα στο νερό (αν και δεν μπορεί να φθάσει την ταχύτητα του φωτός στο κενό). Αυτή η κίνηση δημιουργεί έναν κώνο ακτινοβολίας Τσερενκόφ. Καταγράφοντας το εάν, τι και πότε ανίχνευσε ο κάθε σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή, οι ερευνητές μπορούν να προσδιορίσουν την κατεύθυνση και τη «γεύση» του εισερχόμενου νετρίνου.

Περιγραφή
Ο Σούπερ-Καμιοκάντε βρίσκεται 1.000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της γης, στο ορυχείο Μοζούμι, στην περιοχή Καμιόκα. Αποτελείται από κυλινδρική δεξαμένη κατασκευασμένη από ανοξείδωτο χάλυβα, η οποία έχει ύψος 41,4 μέτρα και διάμετρο 39,3 μέτρα, και περιέχει 50.000 μετρικούς τόνους υπερκαθαρού νερού (ultrapure water). Ο όγκος της δεξαμενής διαχωρίζεται από μια υπερδομή ανοξείδωτου χάλυβα σε μια «εσωτερική περιοχή ανιχνευτή» (ID) ύψους 36,2 μέτρων και διαμέτρου 33,8 μέτρων, και σε μία «εξωτερική περιοχή ανιχνευτή» (OD), που αντιστοιχεί στον υπόλοιπο όγκο της δεξαμενής. Στερεωμένοι πάνω στην υπερδομή αυτή είναι 11.146 φωτοπολλαπλασιαστές σωλήνα διαμέτρου 50 cm που ανιχνεύουν φως από την ID και 1,885 φωτοπολλαπλασιαστές σωλήνα διαμέτρου 20 cm που ανιχνεύουν φως από την OD. Υπάρχει ένας αδιαφανής φραγμός από Tyvek που καλύπτει την υπερδομή και διαχωρίζει οπτικώς τα μέρη ID και OD.

Μία αλληλεπίδραση ενός νετρίνου με ένα ηλεκτρόνιο ή νουκλεόνιο μέσα σε ένα μόριο του νερού της δεξαμενής μπορεί να παραγάγει ένα φορτισμένο υποατομικό σωματίδιο που κινείται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός μέσα στο νερό (η οποία είναι μικρότερη από την αξεπέραστη ταχύτητα του φωτός στο κενό). Αυτό δημιουργεί έναν κώνο φωτός που είναι γνωστό ως ακτινοβολία Τσερενκόφ και είναι το οπτικό αντίστοιχο του κώνου ήχου (sonic boom) που συνδέεται με αντικείμενα που κινούνται στον αέρα με υπερηχητική ταχύτητα. ΤΟ φως Τσερενκόφ προβάλλεται με τη μορφή δακτυλίου πάνω στο τοίχωμα της υπερδομής του ανιχνευτή, οπότε καταγράφεται από τους φωτοπολλαπλασιαστές (PMT). Με χρήση των δεδομένων χρόνου καταγραφής και εντάσεως του φωτός που καταγράφεται από κάθε PMT, οι ερευνητές μπορούν να προσδιορίσουν την κατεύθυνση και τη «γεύση» του εισερχόμενου νετρίνου. Η πολλαπλή σκέδαση των ηλεκτρονίων είναι μεγάλη, οπότε οι δακτύλιοι που παράγουν είναι θολοί, ενώ αντιθέτως τα υπερσχετικιστικά (δηλαδή κινούμενα με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός στο κενό) μιόνια διανύουν σχεδόν ευθείες τροχιές μέσα στη δεξαμενή και δημιουργούν δακτυλίους με ξεκάθαρα άκρα. Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζεται και το είδος των σωματιδίων.

Ιστορία
Η κατασκευή του προδρόμου του σημερινού ανιχνευτή από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο άρχισε το 1982 και ολοκληρώθηκε τον Απρίλιο του 1983. Σκοπός του ήταν να απαντήσει σε ένα από τα θεμελιώδη ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής: το εάν το πρωτόνιο είναι σταθερό σωματίδιο ή διασπάται από μόνο του με την πάροδο αιώνων.

Εκείνος ο ανιχνευτής, ονόματι απλώς KamiokaNDE, με τα αρχικά «NDE» αυτή τη φορά να σημαίνουν Nucleon Decay Experiment = «Πείραμα Φυσικής διασπάσεως Νουκλεονίου», αποτελείτο από μια δεξαμενή ύψους 16,0 μέτρων και διαμέτρου 15,6 μέτρων, η οποία περιείχε 3.048 μετρικούς τόνους καθαρού νερού και περί τους χίλιους φωτοπολλαπλασιαστές στερεωμένους στην εσωτερική της επιφάνεια. Ο ανιχνευτής αυτός άρχισε να αναβαθμίζεται από το 1985 ώστε να μπορεί να ανιχνεύει ηλιακά νετρίνα (νετρίνα που παράγονται στην κεντρική περιοχή του Ήλιου και ταξιδεύουν ως τη Γη). Ως αποτέλεσμα, ο αναβαθμισμένος ανιχνευτής «KamiokaNDE-II» είχε καταστεί αρκετά ευαίσθητος ώστε να ανιχνεύσει νετρίνα από τον Υπερκαινοφανή 1987A, που παρατηρήθηκε τον Φεβρουάριο του 1987, ενώ ανίχνευσε για πρώτη φορά ηλιακά νετρίνα το 1988. Η ικανότητα του KamiokaNDE-II να προσδιορίζει την κατεύθυνση των ηλεκτρονίων που παράγονταν από τις αλληλεπιδράσεις των νετρίνων αυτών, επέτρεψε να αποδειχθεί πειραματικώς για πρώτη φορά στην ιστορία ότι ο Ήλιος είναι πηγή (άφθονων) νετρίνων.

Μετά από τις επιτυχίες αυτές, το Υπουργείο Παιδείας, Επιστήμης και Πολιτισμού της Ιαπωνίας ενέκρινε το 1991 την κατασκευή ενός πολύ μεγαλύτερου παρόμοιου ανιχνευτή, του Σούπερ-Καμιοκάντε, με συνολική χρηματοδότηση περίπου εκατό εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ. Υπήρξε και μια μικρή συμμετοχή των ΗΠΑ,3 εκατομμύρια, που εγκρίθηκε από το υπουργείο τους της Ενέργειας το 1993, συν τη μεταφορά και τοποθέτηση 2 χιλιάδων φωτοπολλαπλασιαστών σωλήνα διαμέτρου 20 cm που είχαν χρησιμοποιηθεί στο παλαιότερο πείραμα Ιρβάιν-Μίσιγκαν–Μπρουκχέιβεν.

Η λειτουργία του Σούπερ-Καμιοκάντε άρχισε τον Απρίλιο του 1996. Δύο μόλις χρόνια αργότερα οι επιστήμονές του ανακοίνωσαν τις πρώτες ενδείξεις για ταλαντώσεις των ηλιακών νετρίνων. Αυτή ήταν η πρώτη παρατήρηση που υπεστήριζε τη θεωρία ότι το νετρίνο έχει μη μηδενική μάζα ηρεμίας. Συνακόλουθα, το 2015 το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής δόθηκε στον ερευνητή του Σούπερ-Καμιοκάντε Τακαάκι Κατζίτα (μαζί με τον Καναδό Άρθουρ Μπ. Μακντόναλντ για τις έρευνές τους πάνω στις ταλαντώσεις των νετρίνων.

Το 2006 άρχισε η φάση «Σούπερ-Καμιοκάντε-ΙΙΙ», που συνέλεξε δεδομένα από τον Οκτώβριο του 2006 μέχρι τον Αύγουστο του 2008. Κατόπιν έγιναν σημαντικές αναβαθμίσεις στα ηλεκτρονικά, οπότε μετά άρχισε μια νέα φάση του πειράματος, που αναφέρεται ως «Σούπερ-Καμιοκάντε-IV» (SK-IV), και συνέλεξε δεδομένα από διάφορες φυσικές πηγές νετρίνων.

Το SK-IV συνέχισε μέχρι τον Ιούνιο του 2018. Στη συνέχεια ο ανιχνευτής ανακαινίσθηκε πλήρως κατά το φθινόπωρο του 2018 και στις 29 Ιανουαρίου 2019 ξανάρχισε τη λειτουργία του. Κατασκευάζεται ήδη στην ίδια περιοχή ο διάδοχος ανιχνευτής «Υπερ-Καμιοκάντε» (Hyper-Kamiokande).

Δείτε επίσης 
 Μασατόσι Κοσίμπα
 Υπερκαινοφανής 1987A
 Πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων
 Παρατηρητήριο Νετρίνων του Σάντμπερυ
 KM3NeT

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 Επίσημος ιστότοπος 

Επιστήμες και τεχνολογία στην Ιαπωνία
Κτίρια και κατασκευές στην Ιαπωνία