Ştiinţa coboară în subteran Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Oamenii de știință caută, în adâncurile Terrei, particule greu detectabile şi care străbat Universul.

Ilustrare artistică a
Supernovei 1987A

Imaginea este oferită de
Departamentul Matematică și
Științe Fizice al UCL; Sursa
imaginii: Flickr

Imaginați-vă că sunteți pe o stradă zgomotoasă și aglomerată, în inima unui oraș mare. O pasăre, undeva sus, ciripeşte – dar ai putea s-o auzi? Probabil că nu: ar fi greu să distingi cântecul păsării din mulţimea de sunete din jur – automobile, mașini, claxoane, voci, și așa mai departe. Oamenii de știință au o problemă similară când încearcă să detecteze pe Pământ particule venite din spațiu: semnalele slabe ale acestor ‘astroparticule’ sunt mascate complet de semnale mai puternice, provenite din alte surse, cum ar fi radioactivitatea naturală a mediului.

Probabil vă așteptaţi ca o modalitate bună pentru a depăși această problemă să constea în poziționarea detectoarelor de astroparticule la altitudini înalte, însă opusul poate fi și el foarte eficient: cel mai bun loc pentru detectarea anumitor astroparticule este, de fapt, în subteran. Acest lucru se datorează faptului că sutele de metri de rocă de deasupra ajută la eliminarea ‘zgomotului’ nedorit de la suprafața Pământului.

Dar de ce sunt oamenii de ştiinţă interesaţi de astroparticule? Aceste particule elementare de origine cosmică sunt generate în stele (precum Soarele), sau în explozii de supernovă, sau chiar în fenomene mai exotice, cum ar fi exploziile de raze gamma. Astroparticulele –deseori numite ‘mesagerii Universului’ – oferă informații despre evenimente extrem de îndepărtate în timp și spațiu, inclusiv despre Big Bang.

Lucrând în subteran

În lume sunt cam zece laboratoare subterane dedicate în principal vânătorii de astroparticule (Bettini, 2012). Lucrul într-un astfel de laborator este uneori dificil. De exemplu, pentru a accesa facilităţile de cercetare aflate în exploatări miniere, este necesară o călătorie într-un lift-cușcă, cu sosiri şi plecări sincronizate cu schimburile de lucru ale minerilor; deci munca trebuie programată foarte atent. De asemenea, în zonele curate, umiditatea și temperatura sunt strict reglementate, deci lucrătorii trebuie să facă duș și să își schimbe hainele înainte de a intra. Și, desigur, acolo jos nu există ferestre pentru lumina Soarelui.
 

Laboratoarele subterane ale lumii

Această hartă arată locația unora dintre cele mai importante facilități subterane existente în lume. Însă facilități subterane similare există şi în Finlanda, Japonia, Rusia, Ucraina și în SUA, iar alte laboratoare subterane sunt planificate pentru construire în Australia, India și în America de Sud.

  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), cel mai mare laborator subteran din lume, este localizat într-un tunel de autostradă, la 120 km distanţă de Roma, Italia.
  • Trei alte laboratoare subterane de mărime medie au fost active în Europa începând cu anii 1980: Laboratorul Boulby, pe coasta de nord-est a Angliei, Marea Britanie; Laboratorul Modane în Aplii francezi; şi Laboratorul Canfranc sub Pirineii spanioli.
  • Laboratorul de Cercetare Subterană Sandford a fost construit într-o fostă mină de aur din Dakota-de-Sud, SUA. În acest laborator de pionierat s-au derulat primele studii asupra neutrinilor solari, în anii 1960 (Rosen, 2006).
  • SNOlab (Sudbury Neutrino Observatory), lângă Sudbury în Ontario, Canada, se află într-o mină de nichel aflată în exploatare. Laboratorul acesta este unul dintre cele mai adânci din lume, la 2100 metri sub scoarţă.
  • Laboratorul JinPing este localizat într-un tunel al unei hidrocentrale din provincia Sichuan, China. La 2400 m sub muntele JinPing, acesta deţine recordul pentru adâncime sub scoarţa Pământului.
  • Laboratorul Kamioka, din Kamioka-cho, Gifu, Japonia, are cel mai mare detector de neutrini din lime. Aici au fost derulate în ultimele două decenii o serie de experimente revoluţionare cu neutrini.
     

    Imagine oferită de Susana Cebrián

Vânătoarea de particule evazive

Astăzi multe dintre laboratoarele subterane se concentrează pe vânătoarea celor mai evazive tipuri de materiale: neutrinii și materia întunecată. Deşi ambele sunt abundente în Univers, ele au interacțiuni atât de slabe cu materia ‘normală’ încât sunt imposibil de detectat în lumea exterioară, și doar în subteran se lasă uneori detectate.

Neutrinii: particule foarte importante

Neutrinii sunt a doua cea mai numeroasă particulă din Univers (după fotoni – particulele de lumină). Fiecare centimetru pătrat al suprafeței Pământului este lovit de 1011 neutrini în fiecare secundă, şi majoritatea sosesc de la Soare.

Un total de 9522 senzori
ultra-sensibili la lumină sunt
ataşaţi de sfera de la
detectorul de neutrini al
laboratorului SNOlab
.
Pentru imagine mulţumim lui
Roy Kaltschmidt, de la
Laboratorul Lawrence Berkeley;
sursa imaginii: Flickr

Neutrinii sunt produși în stele și în interiorul reactoarelor nucleare, dar se găsesc și în razele cosmice. Numiţi uneori „particule fantomă”, ei interacționează rareori cu materia, și doar trec prin aceasta – astfel încât, în ciuda numărului lor vast, detectarea neutrinilor este extrem de provocatoare. De exemplu, chiar folosind detectoare enorme, de obicei sunt de așteptat doar câteva detectări de neutrini pe lună. Neutrinii sunt mesageri potențiali foarte importanți, deoarece ei călătoresc neperturbat în Univers, prin locuri în care alte particule nu pot scăpa – cum ar fi găurile negre, care absorb chiar și lumina. Şi, pe măsură ce călătoresc prin Univers, neutrinii aduc informații tot mai valoroase.

Într-o zi din 1987 unele observatoare subterane au înregistrat cu surprindere mai mulţi neutrini în doar câteva secunde – ele au fost martore la semnalul sosit de la supernova 1987A, din galaxia Marele Nor al lui Magelan (Nakahata, 2007). Deoarece 99% din energia eliberată de o supernovă este presupus a fi radiată sub formă de neutrini, detectarea acestora furnizează multe informații despre ceea ce se întâmplă de fapt când colapsează o stea. Tot atunci au fost detectaţi şi neutrinii produşi prin dezintegrare beta-radioactivă în interiorul Pământului: aceşti geoneutrini pot deveni un instrument inestimabil pentru geofizică (Bellini et al., 2011), deoarece furnizează informații despre dimensiunea și localizarea surselor radioactive din interiorul Pământului, unde accesul ar fi imposibil.

Neutrinii de la Soare au încurcat oamenii de știință timp de câteva decenii. La acele prime încercări, numărul total de neutrini detectați a fost mult mai mic decât era de așteptat să producă Soarele pe baza calculelor privind procesele de fuziune nucleară. Dezlegarea dilemei a apărut în 2001, când sa constatat că neutrinii – care există în trei aşa-numite ‘arome’ – se pot transforma dintr-un tip în altul printr-un proces numit oscilație neutrinică (Jelley & Poon, 2007). Este ca și cum ați arunca spre cineva un măr, şi ajunge la acesta o portocală sau o pară. Încurcătura s-a datorat faptul că primele experimente au măsurat doar un tip de neutrini (‘merele’) – respectiv forma în care sunt emişi originar neutrinii solari –, trecând nedepistaţi neutrinii care, prin oscilaţie, se transformaseră în celelalte tipuri.

Acest efect a fost observat și în cazul neutrinilor din alte surse, cum ar fi razele cosmice, reactoarele nucleare și instalațiile de cercetare. În anul 2015, Premiul Nobel pentru Fizicăw1 a fost acordat lui Takaaki Kajita și Arthur McDonald pentru cercetarea oscilațiilor neutrinice în laboratoarele Kamioka (Japonia) și SNOlab (Canada).

Oscilația neutrinilor este importantă şi din altă perspectivă: ea confirmă că neutrinii au totuşi o masă. Acest lucru se datorează faptului că, așa cum ne spune mecanica cuantică, asemenea oscilații pot avea loc doar dacă particulele au o masă diferită de zero. Observarea acestui fapt în cazul neutrinilor a fost prima dovadă a unei scăpări în definirea ‘modelului standard’ din fizica particulelor.

Misterul materiei întunecate

În ciuda realizărilor impresionante din domeniile cosmologiei, astrofizicii și fizicii particulelor din ultimii ani, compoziția unei mari părţi a Universului încă este un mister. Se consideră că un sfert din Univers ar fi alcătuit din ‘materie întunecată’ – numită așa deoarece nici nu emite şi nici nu absoarbe radiație electromagnetică (inclusiv lumină, unde radio și raze X). Din acest motiv, materia întunecată nu a fost încă detectată, în ciuda cantității uriașe în care se consideră că ar exista. Interacțiunile cu materia întunecată sunt extrem de rare: doar câteva evenimente pe an într-un detector subteran foarte mare. Au existat indicii pozitive, precum cele observate prin experimentul DAMA / LIBRA în laboratorul Gran Sasso – dar încă nu există o detectare directă, aşa încât eforturile continuă (Reich, 2013; Livio & Silk, 2014).

Hala C a Laboratorului Gran Sasso, Italia, având instalat experimentul OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus)
Pentru imagine mulţumim lui Francesco Arneodo

Ştiinţe în domeniul subteran

Astrofizica particulelor este scopul principal pentru laboratoarele subterane, însă caracteristicile lor unice le fac tot mai aplicabile şi în alte domenii ale științei. Biologii le folosesc pentru a investiga modul în care micro-organismele pot supraviețui în condiții extreme. De asemenea, acolo se pot efectua măsurători de precizie pe termen lung pentru seismologie, hidrologie și geodinamică. Până și anumite tehnologii spațiale, dezvoltate pentru explorarea planetei Marte, sunt testate în subteran, la Laboratorul Boulby (Marea Britanie), exploatând similitudinile dintre subsolul planetei Marte și mediul din cavernele minei de sare din Boulby. Așadar, în timp ce tăcerea cosmică găsită în subteran ne ajută la îmbunătățirea înțelegerii Universului îndepărtat – aflând astfel despre originea, compoziția și soarta lui finală – aceste laboratoare speciale ne îngăduie și să studiem îndeaproape alte lumi, în adâncurile de sub picioarele noastre.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Susana Cebrián este profesor la Universitatea din Zaragoza, Spania, şi lucrează la câteva experimente în domeniul fizicii astroparticulelor la Laboratorul Spaniol Subteran Canfranc.


Review

Acest articol se impune lecturării prin clarificările pe care le aduce asupra proprietăților neutrinilor și prin revelarea importanţei informațiilor pe care oamenii de știință le obțin prin studierea în subteran a acestor particule. Articolul evidențiază faptul că în fizica particulelor încă mai sunt multe lucruri de descoperit.

Articolul poate fi folosit ca exercițiu de înțelegere a proprietăților neutrinilor dar și a lucrurilor pe care studierea neutrinilor ni le poate revela despre universul nostru. Textul poate fi folosit şi ca articol introductiv pentru a stârni curiozitatea atât educatorilor cât și studenților, precum și pentru a provoca mai multe cercetări despre subiect.

Întrebările asupra subiectului pot include:

  • Ce informaţii sunt astăzi disponibile privind proprietăţile neutrinilor?
  • De ce se cercetează neutrinii în laboratoare subterane?
  • Unde şi cum sunt produşi neutrinii?
  • Care sunt cele trei tipuri de neutrini şi ce este interesant la ele?

Catherine Cutajar, Colegiul St Martin, Malta




License

CC-BY