Neutrino memancing es

Beruntung yang bodoh di bagian paling bawah Bumi

Suatu hari di bulan Februari 2000, setelah pengeboran yang lama, Bruce Kochi dan saya duduk di atas pasir di kawah gunung berapi di atas Kilimanjaro pada ketinggian 5.600 m. Kami duduk dengan punggung bersandar pada ransel dan menyaksikan matahari terbenam, dan Kochi menikmati kenangan karirnya.

“Saya tidak melakukan ini untuk menjadi pembor. Saya benci mobil. Saya mungkin salah satu dari sedikit insinyur di dunia yang memperlakukan mereka seperti itu. Aku benci mereka. Kasus kemarahan yang jarang terjadi pada saya adalah karena mesin yang tidak melakukan apa yang seharusnya mereka lakukan. ”

“Saya melakukan ini karena pengalaman. Saya melakukan kayak, kemudian keluar dari perusahaan dirgantara yang baik, dan memutuskan untuk melakukan ekologi, dan kemudian kembali ke teknik melalui glasiologi , dimulai di Minnesota. Saya selalu pergi ke suatu tempat hanya karena tempat itu sendiri, tetapi bukan karena pengeboran. Saya akan melakukan yang terbaik untuk membuat pengeboran berjalan dengan baik, karena itu berarti saya bisa pergi ke tempat lain yang baik. "


Laboratorium IceCube di Stasiun Antartika Amundsen-Scott. Ini adalah pendeteksi partikel yang mencari neutrino yang berasal dari sumber astrofisika paling terang - ledakan bintang, semburan sinar gamma, bencana yang melibatkan lubang hitam dan bintang neutron. Di depannya ada detektor AMANDA .

Dia tidak mendapatkan gelar ilmiah dalam glasiologi, dan, ketika dia ingat, “dia kehabisan waktu dengan sangat cepat ketika mereka tiba-tiba memanggil saya dan mengatakan bahwa Universitas Nebraska-Lincoln sedang mencari seseorang dengan gelar teknik yang mengetahui glaciologi. Jadi saya menelepon mereka, saya disewa melalui telepon pada pertengahan Oktober, dan dua minggu kemudian saya duduk di pesawat terbang ke rak es Ross .

Rak Es Ross mengapung di permukaan laut dekat Stasiun Antartika McMurdo dan menyediakan platform yang stabil untuk lapangan udara stasiun, Williams Field. Ini adalah massa es terapung terbesar di planet ini, ukurannya sebanding dengan Prancis. Untuk pertama kalinya, Bruce ada di sana di musim panas Antartika 1977-1978.

Universitas Nebraska-Lincoln menerima kontrak dari National Science Foundation untuk mengebor sumur hingga 60 m dari lapisan es sehingga sekelompok ilmuwan dapat mempelajari lautan yang tersembunyi di bawahnya. Jet api yang digunakan dalam industri pertambangan untuk memotong batu kristal berfungsi sebagai bor . Itu terdiri dari dua kompresor masing-masing seberat 4,5 ton, memasok udara di bawah tekanan 70 atmosfer ke mesin jet yang dimodifikasi - pada kenyataannya, pembakar Bunsen raksasa - diturunkan ke sumur dengan air berlumpur, menyemburkan api dan bahan bakar diesel yang tidak terbakar.

"Yah," kata Bruce, "dia gemuruh sekali." Banyak kebisingan, banyak asap, banyak kotoran. Tapi dia mengebor rak es dengan cepat. Ternyata lubang berdiameter sekitar 45 cm, sehingga para ilmuwan dapat menurunkan gizmos mereka di sana dan melakukan percobaan mereka. "

Selama dekade berikutnya, ia membantu ahli glasiologi Charlie Bentley dari University of Wisconsin Madison untuk mengebor banyak lubang kecil dengan penggerek air panas - secara umum, selang taman raksasa - di berbagai bagian Antartika sehingga Bentley kemudian dapat melemparkan dinamit ke dalam lubang dan melakukan eksperimen seismik. Dia mengintip ke dalam seni kompleks pengeboran inti es , di mana pipa bor berlubang dengan dinding bagian dalam yang halus, ukiran di luar dan gigi tajam di bawahnya secara berkala mencelupkan es untuk memotong segmen dan menariknya satu meter pada satu waktu. Dia mengebor inti es di Greenland dan banyak tempat di Antartika, termasuk kutub - dan juga menemukan waktu untuk penemuan pengeboran es di dataran tinggi.

Pada musim semi 1990, Bruce menjadi salah satu spesialis terbaik. Dia berpartisipasi dalam tiga lusin ekspedisi pengeboran dan merupakan spesialis praktis terbaik dalam mengebor es dalam segala bentuknya di planet ini. Ketika John Kelly, direktur Departemen Inti Es AS, datang ke Bruce dan bertanya apakah akan menarik untuk membantu sekelompok fisikawan mengebor beberapa sumur di Greenland untuk mengeksplorasi kemungkinan membangun teleskop neutrino di Kutub Selatan, ia memanfaatkan kesempatan ini. "Tentu saja!" - Dia ingat kata-katanya. “Ini adalah proyek paling menarik yang pernah saya dengar! Jika perlu, saya tidak akan tidur dan akan bekerja di malam hari. "

Pada bulan Agustus 1990, Bob Morse, seorang ahli fisika dari University of Wisconsin, dan Tom Miller, lulusan University of California di Berkeley, pergi ke Greenland untuk menghabiskan memancing di es untuk muon. Alat tangkap mereka terdiri dari tiga pengganda fotoelektronik yang diperoleh Morse.


Sebuah sensor diturunkan menjadi sebuah sumur di dalam es

Bruce mempersiapkan sumur yang dibor musim panas lalu. Karena sumur di es runtuh karena tekanan es, ia mengebornya ke kedalaman 217 meter. Fisikawan menurunkan tali pancing mereka di sana, dan melakukan bagian pertama pengukuran. Kemudian mereka memutuskan bahwa mereka ingin meningkatkan koneksi optik antara pembuat foto dan es, dan bertanya apakah para pembor memiliki cairan yang dapat dituangkan ke dalam sumur. Cairan non-beku sangat sedikit tersedia di Greenland Heights, tetapi mereka memiliki cadangan butil asetat yang sangat besar untuk mencegah jatuhnya sumur. Mereka menuangkannya ke dalam sehingga cukup untuk menutupi pancing, dan melakukan pengukuran berulang.

"Saya tidak tahu mengapa kami merasa perlu menarik tali pancing," kata Bob, "tetapi kami menariknya, dan tiba-tiba kami melihat lendir biru tebal yang menutupi semuanya. Butyl acetate melarutkan selubung kabel, dan mengecat semua salju dan cairan di dekatnya dalam warna biru keunguan yang indah. Kami bertanya-tanya apakah kami akan memiliki setidaknya beberapa cahaya melewatinya. Kami memotret para pembuat foto sebelum diturunkan, dan kemudian setelah diturunkan, dan pada foto kedua terlihat seperti es buah anggur besar. Cairan biru ada di sarung tangan, pakaian, di wajah saya. Itu adalah pewarna yang digunakan untuk kabel. Listrik bekerja, tetapi secara optik kami tidak yakin apa yang telah kami lakukan. ”

AMANDA (Antartika Muon Dan Neutrino Detector Array) tim muda [Antartika detektor muon dan neutrino], yang termasuk Tim Miller, Harga Buford, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen dan Bob Morse [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price , Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen, Bob Morse], mengirim surat ke majalah Nature yang diterbitkan pada bulan September tahun itu. Francis percaya bahwa "surat ini meluncurkan percobaan," menunjukkan bahwa gagasan menggunakan es kutub sebagai detektor neutrino "masih gila, tetapi tidak terlalu banyak."

Surat itu berbunyi bahwa "sumur itu diisi dengan butil asetat, cairan organik yang dipilih karena suhu beku yang rendah dan kejernihan optik." Tidak disebutkan lendir biru. "Kami menemukan hasil yang menginspirasi, dan berencana untuk melakukan eksperimen yang lebih dalam di Kutub Selatan pada musim panas selatan mendatang."

Dengan hambatan dan kekurangan seperti itulah mereka melakukan eksperimen ilmiah. Seperti yang ditulis Bob Morse:

Greenland adalah contoh yang bagus dari percobaan yang dibuat dengan tergesa-gesa agar tidak melewatkan kesempatan. Kesalahan dibuat, dan data yang tidak sempurna diperoleh, yang masih berguna, bagaimana kegagalan bisa berguna dengan pendekatan yang tepat. Ini adalah eksperimen kecil yang mendahului proyek AMANDA, memiliki semua fitur proyek AMANDA dan IceCube yang kemudian dibuat. Keberhasilan yang datang kemudian hanya diperoleh berkat debugging sistem untuk menempatkan dan menerima data - tetapi tugas ini tidak sepele. Contoh langka tentang bagaimana organisasi yang mendanai percobaan mempercayai data (meskipun tidak sempurna) lebih dari banyak peneliti.

Francis menambahkan bahwa "sudah jelas bahwa kami tidak tahu apa yang kami lakukan, jadi ini adalah studi nyata, bukan?"

Dia curiga bahwa “banyak orang memiliki ide serupa, tetapi mereka tahu glasiologi lebih baik daripada saya, dan jelas memutuskan bahwa itu tidak akan berhasil. Jika kita benar-benar mengerti apa yang kita lakukan, kita mungkin tidak akan melakukannya sama sekali. Dan, ternyata, banyak hal yang seharusnya kita ketahui ternyata salah. ”


Instalasi pemanas 5 MW di rig IceCube. Air panas mengalir melalui selang, dari sistem pemanas ke tempat es saat ini sedang dibor. Selang yang digunakan untuk pengeboran hampir 3 km panjangnya dan dililit di sekitar gulungan besar di tengah.

Dalam ceramah yang dia berikan hari ini kepada para ilmuwan muda, dia kadang-kadang menggunakan hari-hari awal proyek AMANDA sebagai contoh untuk sebuah pepatah: “Jangan membaca buku, berbisnis. Yang terbaik adalah menjadi pria beruntung yang tidak tahu apa-apa. " Penemuan asli biasanya dibuat oleh orang-orang muda yang tidak terbiasa dengan pengetahuan yang diterima secara umum. Dia percaya bahwa dia dapat melakukan sesuatu yang orisinal pada usianya yang jauh di atas 40 hanya karena dia merasa "muda lagi," dalam arti naif. "Hanya ketika kamu masih bodoh dan belum membaca semua buku, kamu bisa melakukan sesuatu yang asli dan baru."

Dia memasuki dunia eksperimen, tidak dikendalikan oleh logika teori yang jelas. Dalam eksperimen, seseorang tidak hanya harus memperhitungkan banyak poin praktis dan strategis - terkadang yang terbaik adalah berhenti berpikir sejenak dan hanya melakukan sesuatu.

Jika dia membaca buku teks resmi tentang optik es dan air, dia akan "tahu" bahwa panjang penyerapan cahaya biru dalam es murni - jarak di mana sekitar dua pertiga cahaya diserap - adalah sekitar 8 meter. Dan kemudian semuanya akan berakhir. Mereka akan mengembalikan photomultipliers dan pulang. Jika radiasi Cherenkov benar-benar diserap pada jarak sesingkat itu, maka akan dibutuhkan sekitar 2 juta photomultipliers untuk mengisi satu kilometer kubik es, dan itu hanya akan membutuhkan sekitar $ 6 miliar untuk mereka. Untungnya, buku itu sangat salah. Mereka memperoleh nilai perkiraan 18 meter dari data Greenland, dan meskipun angka ini juga salah, itu adalah langkah ke arah yang benar.

Beberapa tahun kemudian, ketika mereka masih mencoba memahami es, tetapi sudah menerima tanda-tanda bahwa panjang penyerapan sebenarnya bahkan lebih dari 18 meter, perpustakaan dari Madison secara keliru mengirimkan buku-buku yang ditujukan untuk orang lain ke kantor Francis. Secara alami, dia mulai memeriksa mereka, dan ketika dia mencapai informasi tentang panjang penyerapan delapan meter, dia merasakan rasa dingin menembus punggungnya.

Pada musim semi selatan 1991, Bob Morse, Bruce Kochi, Steve Barwick dan Tim Miller melakukan perjalanan ke selatan untuk melakukan pengeboran pertama untuk AMANDA. Eksperimen PICO, mencari bukti langsung tentang keberadaan materi gelap, juga mengirim tim pemboran, termasuk Bill Barber, seorang Inggris yang tinggi, baik hati, tenang, dan sangat kuat.

Mereka ingin menggunakan selang dengan nosel di ujungnya untuk menyemprotkan air panas dalam aliran paralel, setelah itu nosel harus dengan mudah direndam dalam es yang mencair di bawah pengaruh gravitasi. Saat mengebor dengan air panas, Anda membutuhkan banyak air sangat panas yang berada di bawah tekanan tinggi, dan selang berdiameter besar dengan isolasi termal yang baik dari dinding sehingga air tetap panas di sepanjang jalan turun dan memindahkan panas sebanyak mungkin melalui nosel ke es. Benar, perlu untuk menjaga keseimbangan dan membiarkan panas keluar melalui dinding samping sehingga air tidak membeku di bagian atas sumur. Suatu hari, Bruce menunjukkan bahwa tidak ada teleskop neutrino yang terlalu besar, dan "tidak ada bor air panas yang terlalu besar, karena bor terbaik adalah bor yang langsung mengebor sumur." Ini, tentu saja, adalah latihan imajiner - memberikan panas dalam jumlah tak terbatas hampir secara instan - tetapi ini menyampaikan intinya: Anda membutuhkan banyak panas dan selang besar.

Bruce tahu bahwa instalasi mereka, yang disebut Bucky-1, memiliki keterbatasan serius dalam kedua hal tersebut. Diameter selang hanya 2,5 cm, dan stasiun pemanas, yang berisi beberapa boiler berdiri di jalan langsung di atas es, hanya menghasilkan energi 0,5 MW. Bor air panas pertama yang ia gunakan di rak Ross menggunakan stasiun 2 MW. "Kami tahu bahwa Bucky-1 memiliki keterbatasan, tetapi yang mana kami tidak tahu pasti, karena ini adalah pertama kalinya ada orang yang mencoba mengebor es yang begitu dingin dan dalam." Dia menghitung bahwa ketika mereka melewati 1000 m, panas yang keluar karena kehilangan sepanjang selang akan melebihi daya yang dihasilkan oleh stasiun. Dengan kata lain, bagian bawah selang mungkin membeku. Dia dapat memainkan permainan yang berbeda, berusaha mencegahnya agar tidak membeku, misalnya, terus-menerus menaikkan dan menurunkannya untuk memanaskan air di lubang yang baru saja dibuat, tetapi ini membutuhkan bahan bakar tambahan, dan memang itu akan sangat sulit dilakukan.

"Mengebor air panas bukan untuk para pengecut," katanya. "Kami berusaha mempertahankan suhu setidaknya 50 derajat, dan ini tidak selalu menyenangkan."

Tim proyek AMANDA menarik semua orang dengan bak mandi, di mana air dipanaskan untuk pengeboran. Sampai yayasan sains menghentikan bisnis ini, mereka mengadakan pesta di kolam air panas di lokasi pengeboran. Dan itu bagus bahwa mereka bersenang-senang, karena pengeborannya sendiri berjalan begitu-begitu.

Di sumur kedua, mereka serakah dan mencoba untuk jatuh di bawah 1000 m. Ini menyebabkan hasil terburuk yang dapat diharapkan dari pengeboran panas.

"Bucky-1 terjebak dengan kita," Bob kemudian mengenang. "Dia masih di sana."

"Ya, seperti tanda radar," kata Bruce.

Bob sedang tidur di tenda Kutub Utara Jamesweiss ketika seorang driller PICO, Dave Kestor, menjulurkan kepalanya ke tirai dan berbisik bahwa ia punya kabar buruk. Karena salah satu dari tiga shift di kamp terus berusaha tertidur, keheningan terus-menerus dipertahankan di "kamp Musim Panas".

“Apa yang harus kita lakukan? - tanya Dave. "Untuk menurunkan alat kita di sana atau tidak?"

"Ya Tuhan, aku tidak tahu," jawab Bob. - Saya pikir itu akan terjadi. Kami telah berinvestasi sangat banyak dalam lubang ini. Kita harus melakukan semua yang kita bisa. ”

Dia bangkit dari tempat tidur dan mencari Steve Barvik. "Aku berkata," Steve, mereka terjebak di sana. " Steve mengamuk dan mulai berteriak - dia tidak tahu di mana Tem Miller, jadi dia pergi ke setiap tenda pada jam tiga pagi, dan berteriak dengan sekuat tenaga: "Tim Miller? Tim Miller, dimana kamu? Di mana Anda berkeliaran? ”Dan saya pikir sekarang beberapa pekerja dua meter yang kekar hanya akan bangkit dan memukul Steve. Saya pikir dia punya topi. "

PICO hanya mengebor dua shift, yang masing-masing bekerja selama 12 jam, dan bor macet di shift malam. Bruce ada di siang hari, dan meskipun dia masih tidak banyak tidur saat pengeboran, dia berjalan di samping, tetap mengikuti perkembangan zaman, bahkan tidak pada shiftnya - dia hanya tertidur ketika gangguan terjadi. Dan mereka tidak hanya terjebak dalam bor, mereka juga menghentikan aliran air di selang. Ini mungkin satu-satunya situasi dengan pengeboran air panas, dari mana tidak ada jalan keluar.

"Siapa pun yang pernah mengebor air panas setidaknya sekali dalam hidupnya melakukan kesalahan dan kurang panas," kata Bruce kemudian. Dia memutuskan bahwa mereka beruntung bahkan mencapai kedalaman seperti itu.

Mereka mencoba menariknya keluar dengan buldoser Caterpillar D7 .

Bob berkata, “Selang sialan ini ditarik seperti tali biola. Dia menyusut hingga setengah diameternya. Hanya Bill Barber yang berani pergi ke sana dan berdiri ketika selang mencuat dari lubang ini, lalu mengambil gergaji dan memotongnya. Dan kami melihat bagaimana selang ini menghilang ke dalam lubang dengan kecepatan suara, dan kami mendengar "fyuyuyuyuyu".

Dan dalam situasi seperti itu, ketika ujung bor dan sebagian besar selang hilang ke sumur, mereka mengikuti saran Bob yang mengantuk dan menurunkan tali pancing dengan peralatan di sana. Karena suatu alasan - selang macet, atau sumurnya terlalu sempit - hanya 150 m, kemudian mereka mulai khawatir bahwa cahaya dari permukaan bisa sampai ke detektor dan memblokir sinyal muon yang bisa mereka terima. Fotomultipliers sangat peka; mereka bekerja pada tingkat foton tunggal, yaitu, mereka dapat mendeteksi partikel cahaya individu.

"Aku melihat sekeliling, dan berkata:" Kita harus menutup lubang. Kenapa tutup mulut dia? ”Bob mengenang. - Kami punya asbes, dan kantong sampah hijau. Para pencinta lingkungan akan meletakkan batu bata jika mereka mengetahui hal ini: Saya mulai memasukkan isolasi asbes ke dalam tas sehingga mereka mendapatkan volume, dan melemparkannya ke dalam lubang, mencoba membuat sumbat dari cahaya. Saya pikir saya melemparkan tiga atau empat di sana - sebanyak yang saya miliki. "

Fisika eksperimental, dengan semua kekurangan dan masalah.

Mark Bowen adalah seorang penulis dan ahli fisika. Dia telah menulis untuk majalah Climbing, Natural History, Science, Technology Review, AMC Outdoors, dan telah terlibat dalam proyek-proyek AMANDA dan IceCube sejak tahun 1998. Kutipan dari The Telescope in the Ice, 2017.