Nauka sięga pod ziemię Understand article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Głęboko pod powierzchnią Ziemi naukowcy prowadzą badania nad trudnymi do wykrycia cząsteczkami, swobodnie przemierzającymi Wszechświat.

Artystyczna wizja
supernowej 1987 A

Obraz dzięki wydziałowi Nauk
Matematycznych i Fizycznych
UCL; źródło: Flickr

Wyobraź sobie, że znalazłeś się na hałaśliwej, zatłoczonej ulicy w sercu wielkiego miasta. Wysoko w górze szczebiocze ptak – czy go słyszysz? Prawdopodobnie nie. Trudno byłoby wyróżnić głos ptaka spośród wielu innych dźwięków – samochodów, maszyn, głosów ludzi, itp. Podobnie trudno mają naukowcy chcący wykryć cząsteczki nadbiegające z kosmosu. Ich nikłe ślady są całkowicie maskowane przez silniejsze sygnały pochodzące od innych źródeł, np. z powodu radioaktywności środowiska.

Można się spodziewać, że dla minimalizacji problemu należałoby umieścić detektory na dużej wysokości, ale równie skuteczne jest odwrotne rozwiązanie. Właściwie najlepszym miejscem dla detekcji niektórych cząsteczek promieniowania kosmicznego jest wnętrze Ziemi – głęboko pod jej powierzchnią. To dlatego, że owych kilkaset metrów skały powyżej tłumi niepotrzebny „hałas”

Dlaczego promieniowanie kosmiczne jest tak interesujące? Tworzą je cząstki elementarne powstałe we wnętrzach gwiazd (np. w Słońcu), podczas eksplozji supernowych i w innych egzotycznych zjawiskach, np. rozbłyskach gamma. Często nazywa się je posłańcami Wszechświata. Niosą informacje o zdarzeniach niezwykle odległych w czasie i przestrzeni – łącznie z samym Big Bangiem

Praca pod ziemią

Głęboko pod powierzchnią Ziemi jest około 10 laboratoriów. We wszystkich głównie poluje się na cząstki promieniowania kosmicznego (Bettini, 2012). Praca w nich może być trudna. Zjeżdża się do takiego obiektu kopalnianą windą, w porach dopasowanych do cyklu zmian szycht górniczych. Trzeba dlatego bardzo starannie planować działania. Na miejscu, w sterylnych pomieszczeniach ,wilgotność i temperatura są dokładnie regulowane, więc zanim pracownicy wejdą, muszą wziąć prysznic i zmienić ubranie. No i oczywiście nie ma okien, ani tym samym światła słonecznego.

Podziemne laboratoria na świecie

Ta mapa przedstawia położenie niektórych z bardziej istotnych obiektów podziemnych na świecie. Są też podobne obiekty podziemne w Finlandii, Japonii, Rosji, Ukrainie i USA. Istnieją plany budowy nowych w Australii, Indiach i Ameryce Południowej.

  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), największe laboratorium podziemne, w tunelu autostradowym, 120 km od Rzymu, we Włoszech.
  • Trzy średniej wielkości podziemne laboratoria działające w Europie od lat 80-tych: Laboratorium Boulby na północno-wschodnim wybrzeżu Anglii, Laboratorium Modane w Alpach Francuskich i Laboratorium Canfranc pod Hiszpańskimi Pirenejami.
  • Sandford Underground Research Facility w byłej kopalni złota w Południowej Dakocie w USA. W tym laboratorium przeprowadzono pierwsze badania neutrin słonecznych w latach sześćdziesiątych (Rosen, 2006).
  • SNOlab (Sudbury Neutrino Observatory), w pobliżu Sudbury w Ontario w Kanadzie, w działającej kopalni niklu. Laboratorium jest jednym z głębszych na świecie, 2100 m pod powierzchnią Ziemi.
  • JinPing Laboratory ulokowane w tunelach elektrowni wodnej w prowincji Sichuan, w Chinach. Jego 2400 m pod powierzchnią Ziemi, pod górą JinPing, jest rekordową głębokością.
  • Laboratorium Kamioka w Kamioka-cho w Gifu, w Japonii, posiada największy podziemny detektor neutrin. W ostatnich dwóch dziesięcioleciach przeprowadzano w nim przełomowe eksperymenty neutrinowe.
     

    Zdjęcie dzięki uprzejmości Susany Cebrián

Polowanie na nieuchwytne cząsteczki

W wielu podziemnych laboratoriach całą uwagę absorbują obecnie polowania na najbardziej nieuchwytne rodzaje materii: neutrina i ciemną materię. Wszechświat w nie obfituje, ale tak słabo oddziałują one z „normalną” materią, że praktycznie nie jest możliwe wykrycie ich w zewnętrznym świecie, a tylko bardzo rzadko udaje się to pod powierzchnią Ziemi.

Neutrina – niezwykle ważne cząsteczki

Neutrina to drugie pod względem liczebności cząstki we Wszechświecie (po fotonach). W każdej sekundzie, w każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi, trafia 1011 neutrin. Większość z nich pochodzi ze Słońca.

Łącznie 9522 ultraczułe
sensory światła
rozmieszczono na
powierzchni detektora
neutrin SNOlab.

Dzięki uprzejmości Lawrence
Berkeley Nat’l Lab – Roy
Kaltschmidt; Źródło obrazu:
Flickr

Neutrina powstają w gwiazdach, w reaktorach atomowych, znajduje się je w promieniowaniu kosmicznym. Czasem nazywane są „duchami”, gdyż rzadko oddziałują z materią i po prostu przez nią przenikają – zatem mimo ogromnej ich ilości wykrywanie neutrin jest niezwykle trudne. Oczekiwanych jest ledwie kilka detekcji neutrin w ciągu miesiąca, nawet przy użyciu ogromnych urządzeń. Neutrina są jednak potencjalnie bardzo ważnymi posłańcami, gdyż mogą podróżować przez Wszechświat bez przeszkód, w tym przez miejsca-pułapki dla innych cząsteczek – jak np. czarne dziury, które zatrzymują nawet światło. Ponieważ tak robią, niosą ze sobą cenne informacje.

W 1987 r., w niektórych podziemnych obserwatoriach, ze zdziwieniem rejestrowano po kilka neutrin w czasie sekund. Był to sygnał neutrinowy z supernowej 1987A, w Wielkim Obłoku Magellana (Nakahata, 2007). Ponieważ 99% energii wyzwalanej podczas supernowej unoszą neutrina, uzyskano w wyniku ich detekcji wówczas wiele informacji o tym, co właściwie zachodzi, gdy zapada się gwiazda. Odkryte też zostały neutrina pochodzące z rozpadów beta we wnętrzu Ziemi. Owe geoneutrina okazały się bezcennym narzędziem dla geofizyki (Bellini et al., 2011), gdyż dostarczyły wiedzy o wielkości i położeniu źródeł promieniowania we wnętrzu Ziemi, dokąd dostęp jest całkowicie niemożliwy.

Neutrina słoneczne intrygowały naukowców przez kilka dziesiątków lat. Liczba detekcji tych neutrin była dużo niższa od oczekiwanej na podstawie wiedzy o ich produkcji przez Słońce, popartej szczegółowymi obliczeniami procesów syntezy jądrowej. Problem rozwiązano w 2001 roku, gdy odkryto, że neutrina, które w ogólności istnieją w trzech różnych stanach ‘zapachowych’, mogą przechodzić z jednego stanu w drugi w procesie nazywanym oscylacją neutrin (Jelley & Poon, 2007). To tak, jakbyś rzucił komuś jabłko i ten ktoś schwytał je jako pomarańczę albo gruszkę. Mierzono początkowo wyłącznie neutrina jednego rodzaju („jabłka”) – wyprodukowane przez Słońce, a pominięto inne, w które mogły się one przemienić po drodze.

Ten sam efekt zauważono dla neutrin z innych źródeł: promieniowania kosmicznego, reaktorów jądrowych i urządzeń badawczych. W roku 2015 Takaaki Kajita i Arthur McDonald otrzymali Nagrodę Nobla z fizykiw1 za ich badania nad oscylacjami neutrin, prowadzone w laboratorium Kamioka (Japonia) i SNOlab (Kanada).

Oscylacje neutrin dowodzą, że mają one masę. Mechanika kwantowa stwierdza, że takie oscylacje mogą się zdarzyć jedynie wtedy, gdy cząstki mają masę niezerową. Zaobserwowanie oscylacji w przypadku neutrin było pierwszym dowodem skazy odnoszącego sukcesy „modelu standardowego”.

Tajemnicza ciemna materia

Mimo imponujących osiągnięć kosmologii, astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych skład Wszechświata pozostaje tajemnicą. Uważa się, że jedna czwarta Wszechświata jest „ciemną materią” – bo nie emituje ani nie absorbuje promieniowania elektromagnetycznego (światła, fal radiowych i promieniowania X). Z tego powodu ciemna materia nie została jeszcze wykryta – mimo wysiłków. Oczekuje się, że oddziaływania z nią będą niezwykle rzadkie – kilka zdarzeń rocznie w bardzo dużym, podziemnym detektorze. Były obiecujące tropy, takie jak obserwowane w eksperymencie DAMA / LIBRA w laboratorium Gran Sasso – ale jak dotąd brak bezpośredniej detekcji, zatem wysiłki są kontynuowane (Reich, 2013; Livio & Silk, 2014).

Sala C Laboratorium Gran Sasso we Włoszech, z eksperymentem OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus)
Dzięki uprzejmości Francesco Arneodo

Badania w podziemnym królestwie

Głównym obszarem badań jest w podziemnych laboratoriach astrofizyka cząstek elementarnych, ale coraz częściej korzysta się z nich i dla innych dziedzin nauki z racji unikalnych cech, jakie posiadają. Biolodzy badają tam przyczyny, dla których mikroorganizmy mogą przetrwać w ekstremalnych warunkach głęboko pod ziemią, a długoterminowe i precyzyjne pomiary są prowadzone na potrzeby sejsmologii, hydrologii i geodynamiki. Nawet technologie kosmiczne, rozwinięte na potrzeby badań Marsa, bywają testowane pod ziemią w laboratorium Boulby w Wielkiej Brytanii, dla podobieństwa środowisk pod powierzchnią Marsa i wyrobisk soli kamiennej. Gdy więc kosmiczna cisza, odnaleziona głęboko pod ziemią, pomaga nam zrozumieć zjawiska w skali Wszechświata – jego początek, skład i ostateczny los – w tych szczególnych laboratoriach pod naszymi stopami badane są również, w odizolowaniu, inne światy.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Susana Cebrián jest profesorem Uniwersytetu Saragossa, w Hiszpanii, pracującym przy kilku eksperymentach w dziedzinie astrofizyki cząstek w hiszpańskim Canfranc Underground Laboratory.


Review

Trzeba koniecznie przeczytać ten artykuł, ponieważ rzuca światło na właściwości neutrin i przybliża cenne informacje, uzyskane dzięki badaniu tych cząstek głęboko pod ziemią. Artykuł akcentuje fakt, że w fizyce cząstek elementarnych wciąż wiele pozostaje do odkrycia.

Artykuł może posłużyć jako ćwiczenie sprawdzające znajomość niektórych właściwości neutrin i tego, czego możemy dowiedzieć się o naszym Wszechświecie w wyniku ich badania. Może być również wykorzystany jako artykuł wprowadzający dla wzbudzenia zainteresowania i zachęty do dalszych poszukiwań wokół tematu.

Możliwe pytania na temat:

  • Co wiadomo obecnie na temat właściwości neutrin?
  • Dlaczego neutrina bada się w podziemnych laboratoriach?
  • Gdzie i w jaki sposób powstają neutrina?
  • Jakie są trzy rodzaje neutrin i co się z tym wiąże interesującego?

Catherine Cutajar, St Martin’s College, Malta




License

CC-BY