Odkrywanie najważniejszych sił rządzących wszechświatem - Technologia próżniowa w służbie eksploracji wszechświata

Odkrywanie najważniejszych sił rządzących wszechświatem - Technologia próżniowa w służbie eksploracji wszechświata

2100 metrów pod powierzchnią Ziemi fizycy z ośrodka badawczego SNOLAB poszukują niewielkich i ulotnych elementów składowych wszechświata — neutrin.
WoV-Snolab.jpg

Neutrina to elektrycznie neutralne cząstki elementarne, które poruszają się w przestrzeni kosmicznej prawie z prędkością światła. Ponieważ nie zawierają ładunku elektrycznego, niemal nie oddziałują na materię i mogą się w niej przemieszczać w praktycznie niezmienionej postaci. Dzięki temu mogą pokonywać duże odległości i przybywać na Ziemię z najbardziej odległych galaktyk. Jednakże z powodu swojej ulotnej natury są szczególnie trudnym obiektem badań.

Wykrywanie dzięki błyskom światła

Aby złapać te niewielkie cząstki elementarne, naukowcy zdecydowali się zejść pod ziemię. Laboratorium fizyczne SNOLAB znajduje się w kopalni niklu w kanadyjskim mieście Sudbury (Ontario). Naukowcy mają tu dostęp do pomieszczenia czystego o powierzchni 5000 metrów kwadratowych, a warstwa skał o grubości 2100 metrów chroni laboratorium przed promieniowaniem kosmicznym — barierę tę mogą pokonać wyłącznie neutrina. W samym sercu obiektu znajduje się detektor neutrin, który składa się z kulistego akrylowego zbiornika o średnicy 12 metrów. 

Prowadzone aktualnie eksperymenty pod nazwą SNO+ wymagają wypełnienia tego zbiornika 800 tonami specjalnego płynu na bazie liniowego alkilobenzenu (LAB). Po wzbudzeniu promieniowaniem jonizującym płyn ten emituje promieniowanie ultrafioletowe. Z kolei światło ultrafioletowe stymuluje barwnik rozpuszczony w płynie, który fluoryzuje na niebiesko. Neutrina przechodzące przez płyn, które zbliżą się na wystarczającą odległość do jego jąder atomowych wyzwalają interakcję, która generuje niewielkie błyski świetlne. Są one wykrywane przez bardzo wrażliwe czujniki umieszczone wokół zbiornika.

Aby mieć pewność, że pomyślnie wykryto te subatomowe cząstki, należy usunąć z płynu LAB wszystkie niepożądane substancje. W tym celu stosuje się technologię próżniową. Dzięki pompom próżniowym w systemie oczyszczania wytwarzane jest podciśnienie o wartości 20 milibarów. W temperaturze 238 stopni nawet najdrobniejsze ślady metali ciężkich są usuwane z płynu w procesie wielostopniowej destylacji. Następnie, w tak zwanej kolumnie odpędowej i przy użyciu próżni, przez płyn przepuszczana jest para wodna i azot. Powoduje to usunięcie radonu, kryptonu, argonu i tlenu w postaci gazowej i regulację zawartości wody w płynie. Skraplacze ustawione przy wylotach powietrza pomp próżniowych zapewniają niezawodne odzyskiwanie oparów. W tym miejscu gazy wylotowe powstałe w procesie czyszczenia są chłodzone, skraplane i umieszczane w zbiornikach.

Nagroda Nobla za badanie neutrin

W nowych eksperymentach SNO+ płynem LAB zastąpiono ciężką wodę, którą zbiornik był wypełniony podczas pierwotnego projektu SNO. Za przeprowadzenie tych pierwszych badań dyrektor eksperymentu SNO, Arthur McDonald, otrzymał w 2015 roku nagrodę Nobla z fizyki. W latach 1999–2006 używał ciężkiej wody do badań nad neutrinami wytworzonymi w Słońcu w wyniku reakcji syntezy jądrowej. Wyniki nie były jednak zgodne z założeniami standardowego modelu fizycznego, w którym wcześniej przyjęto hipotezę, że  neutriny nie mają masy. 

Odkryte zmiany wyjaśniono za pomocą alternatywnej teorii oscylacji neutrin: Trzy różne rodzaje neutrin (elektronowe, mionowe i taonowe) mogą przekształcać się z jednego rodzaju w inny. Jednak jest to możliwe tylko wtedy, gdy mają masę, nawet jeżeli jest bardzo mała.

W porównaniu do pierwotnego eksperymentu z ciężką wodą interakcja neutrin z płynem LAB powoduje emisję znacznej ilości światła. Głównym celem nowych badań jest analiza spornego procesu podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, natomiast płynu LAB można także użyć do badania neutrin słonecznych powstałych w wyniku zderzeń proton-elektron-proton (PEP). Inne cele to wykrywanie geoneutrin w procesach rozpadu radioaktywnego w Ziemi, a także neutrin reaktorowych pochodzących z reakcji rozszczepienia jądra atomowego. Gdyby w naszej galaktyce pojawiła się supernowa, możliwe byłoby także wykrycie neutrin z supernowej. Pomiary neutrin mają umożliwić naukowcom uzyskanie dodatkowych informacji o najważniejszych siłach rządzących wszechświatem.

Od 2012 roku ośrodek SNOLAB korzysta z technologii próżniowej firmy Busch.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ