Bagaimana percobaan nuklir yang gagal secara tidak sengaja menghasilkan astronomi neutrino

Kehadiran neutrino dapat dikenali oleh cincin radiasi Cherenkov yang muncul pada tabung vakum pengganda fotoelektronika yang terletak di dinding detektor. Pengamatan ini menunjukkan keberhasilan metodologi astronomi neutrino. Gambar ini menunjukkan banyak peristiwa sekaligus.

Kadang-kadang bahkan percobaan yang dirancang paling berhasil gagal. Efek yang Anda cari mungkin tidak terjadi, jadi Anda harus selalu siap untuk hasil nol. Dalam kasus seperti itu, percobaan ditandai sebagai tidak berhasil, meskipun tanpa melakukan itu, Anda tidak akan pernah tahu tentang hasilnya.

Namun, terkadang unit yang Anda buat mungkin peka terhadap sesuatu yang sama sekali berbeda. Mengejar sains dengan cara baru, dengan sensitivitas baru atau dalam kondisi baru yang unik, kita sering membuat penemuan yang paling tak terduga dan sukses. Pada tahun 1987, percobaan yang gagal untuk mendeteksi peluruhan proton pertama kali menemukan neutrino yang datang tidak hanya dari tata surya kita, tetapi juga di luar Bima Sakti. Maka lahirlah astronomi neutrino .


Konversi neutron menjadi proton, elektron, dan anti-elektron neutrino hanyalah hipotesis yang diajukan oleh Pauli untuk memecahkan masalah energi yang tidak disimpan dalam peluruhan beta.

Neutrino adalah salah satu kisah sukses terbesar fisika teoretis. Pada awal abad ke-20, tiga jenis peluruhan radioaktif diketahui:

1. Peluruhan alfa , di mana sebuah atom besar memancarkan inti helium, dan melompat dua elemen ke bawah tabel periodik.
2. Peluruhan beta , di mana inti atom memancarkan elektron berenergi tinggi, memindahkan satu elemen ke atas tabel periodik.
3. Peluruhan Gamma , di mana inti atom memancarkan foton energi, yang tersisa di selnya dalam tabel periodik.

Dalam setiap reaksi, menurut hukum fisika, energi awal dan momentum reaktan harus bertepatan dengan total energi dan momentum produk reaksi. Dan dalam kasus peluruhan alfa dan peluruhan gamma itu. Namun dalam peluruhan beta, aturan ini tidak dihormati: energi selalu hilang.


Jejak berbentuk V kemungkinan besar ditinggalkan oleh muon yang membusuk menjadi elektron dan dua neutrino. Jejak energi tinggi dengan fraktur menunjukkan pembusukan partikel dalam penerbangan. Peluruhan seperti itu, jika neutrino tidak termasuk di dalamnya, melanggar hukum kekekalan energi.

Pada 1930, Wolfgang Pauli mengusulkan pengenalan partikel baru yang akan menyelesaikan masalah ini: neutrino. Partikel netral kecil ini dapat membawa energi dan momentum dengannya, tetapi akan sangat sulit untuk dideteksi. Ia tidak menyerap dan tidak memancarkan cahaya, dan hanya berinteraksi dengan inti atom, apalagi sangat jarang.

Setelah membuat saran ini, Pauli merasa tidak percaya diri dan gembira, tetapi malu. "Saya melakukan sesuatu yang mengerikan, saya menyatakan keberadaan partikel yang tidak dapat dideteksi," katanya. Namun, terlepas dari alasannya, teori itu dikonfirmasi secara eksperimental.


Reaktor nuklir RA-6 eksperimental, menunjukkan karakteristik radiasi Cherenkov yang disebabkan oleh partikel yang bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam air. Neutrino (atau, lebih tepatnya, antineutrino), hipotesis keberadaan yang pertama kali dikemukakan oleh Pauli pada tahun 1930, ditemukan dalam reaktor nuklir serupa pada tahun 1956.

Pada tahun 1956, neutrino (atau, lebih tepatnya, antineutrino) pertama kali terdeteksi secara langsung sebagai produk reaktor nuklir. Neutrino dapat berinteraksi dengan inti atom dengan dua cara:

• mereka menghilang, memantul seperti bola bilyar menabrak sekelompok orang lain,
• atau menyebabkan emisi partikel baru, dengan energi dan momentumnya.

Dalam kasus apa pun, Anda dapat membuat detektor partikel di mana Anda mengharapkan interaksi dengan neutrino dan mencarinya. Itulah bagaimana neutrino pertama ditemukan: para ilmuwan membangun detektor yang peka terhadap tanda-tanda keberadaan neutrino di tepi reaktor nuklir. Dan jika Anda menciptakan kembali semua energi dari produk-produk reaksi, termasuk neutrino, ternyata energinya masih tersimpan.


Ilustrasi skematik peluruhan beta nuklir dalam inti atom masif. Hanya dengan memperhitungkan energi dan momentum neutrino seseorang dapat memenuhi hukum konservasi

Secara teori, neutrino harus muncul dalam reaksi nuklir apa pun: di Matahari, di bintang-bintang dan supernova, ketika sinar kosmik berenergi tinggi bertabrakan dengan partikel atmosfer Bumi. Pada 1960-an, fisikawan telah menciptakan detektor neutrino untuk mencari neutrino matahari dan atmosfer.

Detektor neutrino ini mengandung sejumlah besar bahan yang berinteraksi dengan neutrino. Untuk mengaburkan detektor dari partikel lain, mereka berada jauh di bawah tanah: di tambang. Hanya neutrino yang harus memasuki tambang; partikel lain harus diserap oleh Bumi. Pada akhir 1960-an, neutrino surya dan atmosfer berhasil dideteksi.


Tambang Emas Homestake menggigit pegunungan di Kota Timbal South Dakota. Dibuka lebih dari 123 tahun yang lalu, dan menghasilkan lebih dari 1.100 ton emas dari kedalaman 2.400 m. Pada tahun 1968, neutrino pertama ditemukan di sini, dalam percobaan yang dikembangkan oleh John Bacall dan Ray Davis.

Teknologi pendeteksi partikel, yang dikembangkan untuk eksperimen dengan neutrino dan akselerator berenergi tinggi, ternyata cocok untuk fenomena lain: pencarian peluruhan proton. Meskipun Model Standar Fisika Partikel memprediksi stabilitas lengkap proton, dalam banyak ekstensi - misalnya, dalam Teori Penyatuan Besar - proton dapat membusuk menjadi partikel yang lebih ringan.

Secara teoritis, ketika proton meluruh, ia harus memancarkan partikel bermassa kecil dengan kecepatan tinggi. Jika Anda menemukan energi dan momen dari partikel yang bergerak cepat ini, Anda dapat menciptakan kembali energi totalnya dan memahami apakah itu proton.


Partikel berenergi tinggi dapat bertabrakan dengan yang lain, menyebabkan hujan partikel baru yang dapat dideteksi oleh detektor. Setelah menciptakan kembali energi, momentum dan sifat-sifat lainnya dari masing-masing, kita dapat menentukan apa yang sebenarnya bertabrakan, dan apa yang muncul dalam acara ini.

Jika proton membusuk, maka masa hidup mereka harus sangat panjang. Semesta itu sendiri baru berusia 10 ¹⁰ tahun, tetapi umur proton seharusnya lebih lama. Tetapi berapa banyak lagi? Kunci untuk menyelesaikan ini adalah bahwa Anda perlu memonitor bukan hanya satu proton, tetapi sejumlah besar. Jika masa hidup proton adalah 10 ³⁰ tahun, Anda dapat mengambil satu proton dan menunggu begitu lama (ide yang buruk), atau mengambil 10 ³⁰ proton dan menunggu setahun, mengamati apakah ada di antara mereka yang membusuk.

Satu liter air mengandung sedikit lebih dari 10 ²⁵ molekul, dan setiap molekul memiliki dua atom hidrogen: proton dengan elektron di orbit. Jika proton tidak stabil, maka tangki air yang cukup besar dengan sejumlah besar detektor di sekitarnya akan membantu Anda mengukur stabilitas / ketidakstabilannya, atau batasi.


Sirkuit detektor Kamiokande tahun 1980-an. Ketinggian tangki sekitar 15 meter.

Di Jepang, pada tahun 1982, pembangunan detektor bawah tanah besar dimulai di tambang Kamioka. Dia bernama KamiokaNDE: Kamioka Nucleon Decay Experiment (Kamioka core decay experiment). Itu sangat besar sehingga mengandung lebih dari 3.000 ton air dan sekitar 1.000 detektor dioptimalkan untuk mendeteksi radiasi yang dipancarkan oleh partikel yang bergerak cepat.

Pada tahun 1987, detektor telah beroperasi selama beberapa tahun, tanpa satu kasus peluruhan proton. Tangki berisi sekitar 10 ³³ proton, dan hasil nol sepenuhnya menyangkal teori paling populer di antara Teori penyatuan besar. Sejauh yang kami tahu, proton tidak membusuk. Tujuan utama Kamiokande tidak tercapai.


Sebuah ledakan supernova memperkaya medium antarbintangnya dengan elemen-elemen berat. Cincin luar muncul dari material sebelumnya yang dikeluarkan jauh sebelum ledakan utama. Juga, sebuah ledakan memancarkan sejumlah besar neutrino, beberapa di antaranya mencapai Bumi

Tetapi kemudian sesuatu yang tak terduga terjadi. 165.000 tahun sebelumnya, di galaksi satelit Bima Sakti, sebuah bintang masif mencapai akhir hidupnya dan meledak, sehingga memunculkan supernova. Pada 23 Februari 1987, cahaya ini pertama kali mencapai Bumi.

Dan beberapa jam sebelum kedatangan dunia ini, sesuatu yang luar biasa terjadi pada Kamiokand: 12 neutrino tiba dengan selisih 13 detik. Dua wabah - yang pertama mengandung 9 neutrino, 3 yang kedua - menunjukkan bahwa di supernova ada cukup banyak reaksi nuklir yang menghasilkan neutrino.


Tiga detektor berbeda mengamati neutrino dari SN 1987A , dan yang paling andal dan berhasil dibuat oleh Kamiokande. Transformasi dari detektor peluruhan nukleon menjadi detektor neutrino membuka jalan bagi pengembangan ilmu pengetahuan seperti astronomi neutrino

Untuk pertama kalinya, kami menemukan neutrino yang berasal dari luar tata surya. Astronomi Neutrino dimulai. Selama beberapa hari berikutnya, cahaya dari supernova ini, sekarang dikenal sebagai SN 1987A, diamati pada rentang panjang gelombang yang luas di banyak observatorium tanah dan ruang. Berdasarkan perbedaan waktu yang sangat kecil antara neutrino dan cahaya, kami belajar bahwa neutrino:

• 165.000 tahun cahaya ini telah berlalu dengan kecepatan yang tidak dapat dibedakan dari kecepatan cahaya;
• bahwa massa mereka tidak boleh lebih dari 1/30 000 dari massa elektron;
• bahwa neutrino tidak melambat selama perjalanan mereka dari inti bintang yang berkontraksi ke fotosfernya, seperti yang terjadi pada cahaya.

Dan bahkan hari ini, lebih dari 30 tahun kemudian, kita dapat mempelajari sisa-sisa supernova dan melihat bagaimana itu berkembang.


Gelombang ledakan yang bergerak keluar dari ledakan tahun 1987 terus bertabrakan dengan bahan terlontar dari bintang yang dulunya masif, memanaskan dan menyorotnya dalam proses. Banyak observatorium yang terus menerima gambar sisa supernova hingga saat ini.

Pentingnya ilmiah dari hasil ini tidak dapat ditaksir terlalu tinggi. Dia mencatat munculnya astronomi neutrino, sama seperti penemuan pertama gelombang gravitasi dari penggabungan lubang hitam menandai kelahiran astronomi gelombang gravitasi . Kemudian astronomi multichannel lahir, mencatat pertama kali bahwa objek yang sama diamati baik dalam rentang elektromagnetik (cahaya) dan melalui metode lain (neutrino).

Dia menunjukkan kepada kita potensi menggunakan tank bawah tanah besar untuk mendeteksi peristiwa ruang. Dan dia membuat kita berharap bahwa suatu hari nanti kita akan dapat membuat pengamatan akhir: peristiwa di mana cahaya, neutrino dan gelombang gravitasi datang bersama-sama dan mengajarkan kita semua prinsip kerja benda-benda Semesta.


Acara terakhir astronomi multikanal adalah penggabungan dua bintang katai putih atau dua bintang neutron, yang terjadi di dekat kita. Jika peristiwa semacam itu terjadi di dekat Bumi, kita dapat secara bersamaan mendeteksi gelombang neutrino, cahaya, dan gravitasi.

Dan berkat hasil ini, percobaan Kamiokande dengan cerdas diganti namanya. Karena Eksperimen Peluruhan Nuklir Kamioka gagal, KamiokaNDE dibatalkan. Tetapi pengamatan neutrino yang mencengangkan dari SN 1987A melahirkan sebuah observatorium baru: KamiokaNDE, Eksperimen Pendeteksi Neutrino Kamioka (Eksperimen deteksi neutrino Kamioka)! Dan selama lebih dari 30 tahun terakhir, telah diperbarui berkali-kali, dan beberapa struktur serupa telah dibangun di seluruh dunia.

Jika supernova meledak hari ini di Galaxy kita, kita akan beruntung mendaftarkan hingga 10.000 neutrino yang tiba di detektor kita. Bersama-sama, mereka bahkan akan lebih membatasi umur proton, yang diyakini hari ini melebihi 10 ³⁵ tahun - tetapi kita tidak membangunnya untuk ini. Setelah setiap bencana energi tinggi, neutrino bergegas untuk menyebar melintasi alam semesta. Dan dengan detektor yang berfungsi, astronomi neutrino hidup, terasa nyaman, dan siap untuk apa yang dikirimkan ruang kepada kita.