Китай изгради огромна подземна прозрачна сфера за улавяне на „частици-призраци“

Китай изгради на 700 метра под земята най-големия в света прозрачен сферичен детектор за улавяне на неутрино - често наричани „частици-призраци“, съобщава Синхуа. Очаква се подземната инсталация да разкрие тайни на безкрайно малките и безкрайно големите структури на Вселената.
Високата колкото 12-етажна сграда акрилна сфера с диаметър 35,4 метра, заровена дълбоко в гранитния слой на хълм в Кайпин, до град Цзянмън в южната китайска провинция Гуандун, е основната част от Подземната обсерватория за неутрино в Цзянмън (JUNO) - гигантско и сложно научно съоръжение.
Изграждането на мащабния проект, стартиран от Китайската академия на науките и правителството на Гуандун през 2015 г., навлезе във финалната фаза. Според Института по физика на високите енергии на Китайската академия на науките - водещата институция на проекта, инсталирането на цялото устройство се очаква да приключи до края на ноември, а пълната му експлоатация е планирана за август 2025 г.
Като един от най-мощните експерименти в света за разкриване на тайните на неутриното, JUNO се очаква да работи поне 30 години.
Обсерваторията има за цел да помогне на учените да разберат по-добре йерархията на масите на неутриното. Това ще стане чрез засичане на реакторни частици неутрино от близките атомни електроцентрали Янцзян и Тайшан с безпрецедентна 3-процентна енергийна разделителна способност, каза Ван Ифан, научен ръководител на JUNO и началник на Института по физика на високите енергии.
Разбирането на йерархията на масите на неутриното може да има огромно значение за физическите модели на Вселената и за изследванията на космическата еволюция, поясни Ван. Съоръжението ще помогне на учените да провеждат и други авангардни изследвания, като например наблюдение на неутрино от свръхнови, от Слънцето и от атмосферата, допълни ученият.
Частици-призраци
Неутриното - най-малката и най-леката сред 12-те елементарни частици, които изграждат материалния свят, е електрически неутрално и се движи със скорост, близка до тази на светлината. От Големия взрив насам тези частици проникват в цялата Вселена, като се генерират при различни явления - ядрени реакции в звездите, експлозии на свръхнови, работата на ядрените реактори и радиоактивното разпадане на вещества в скалите.
Тъй като неутриното рядко взаимодейства с обикновената материя, то може лесно да премине през тялото ни, сградите или цялата Земя, без да бъде усетено, поради което е получило прозвището „частица-призрак“. Заради трудно уловимия си характер неутриното е най-слабо проучената фундаментална частица, като за улавянето на най-слабите му следи са необходими огромни детектори.
Учените са установили, че неутриното може да бъде класифицирано в три вида, които са способни да се превръщат един в друг - явление, известно като неутринна осцилация.
Според стандартния модел на физиката на елементарните частици неутриното не би трябвало да има маса. Феноменът на неутрино осцилацията доказва, че неутриното има малка маса, което е експериментално явление, надхвърлящо стандартния модел и насочващо към нова физика, която да подобри разбирането ни за Вселената, каза Ван.
Учени от цял свят изучават неутриното повече от половин век, но все още остават неразгадани множество тайни за миниатюрните частици, като например как се съпоставят масите на трите известни вида неутрино? Дали неутриното и неговите античастици са едни и същи частици? Дали неутриното е част от причината за асиметрията между материята и антиматерията във Вселената?
Въпреки изключително малката си маса неутриното е един от градивните елементи, които изграждат материалния свят. Те са носители на изключително важни знания за Вселената, като предлагат дълбоки прозрения за фундаменталната структура на микроскопичния свят и за произхода и еволюцията на макроскопичната Вселена.
„Изучавайки неутриното, можем да разберем защо Вселената е станала такава, каквато е днес, и какво ще бъде нейното бъдеще, обяснява Ван.
Изследванията на неутриното са в челните редици на физиката на елементарните частици, астрофизиката и космологията. Няколко значими пробива в изследванията на неутриното са отличени с Нобелова награда.
Безпрецедентен експеримент
За място на JUNO е избран хълм в Кайпин, на 53 км от атомните електроцентрали Янцзян и Тайшан, където ефектът на осцилация на неутриното от реакторите на електроцентралите е най-силно изразен. Освен това скалите на хълма служат като щит срещу смущения от космически лъчи, според Цао Цзюн, заместник-директор на Института по физика на високите енергии.
Гигантската сфера, тежаща приблизително 600 тона и съставена от 265 акрилни панела с дебелина 12 сантиметра, е старателно сглобена от строителния екип.
„В сравнение с огромните размери на сферата, дебелината от 12 сантиметра е пропорционално толкова тънка, колкото черупка на яйце“, казва Ян Чангън, заместник-генерален мениджър на JUNO.
Сферата е закрепена със стоманена рамка в центъра на цилиндричен резервоар за вода с дълбочина 44 метра. Вътрешността на акрилната сфера ще бъде запълнена с 20 000 тона течност, която „проблясва“ при засичане на неутрино. Водният резервоар извън сферата ще бъде запълнен с 35 000 тона свръхчиста вода, която се използва за екраниране на космическите лъчи и радиоактивния фон от скалите.
Основният компонент на течността във вътрешността на сферата е алкилбензен, ключова съставка на почистващи препарати в ежедневието, която е нетоксична, лесно биоразградима и има нисък риск от пожар, каза Цао.
Когато преминават през сферата, частиците неутрино имат шанс да се сблъскат с ядрата на водорода в течността, предизвиквайки изключително слаби проблясъци, които могат да бъдат засечени от заобикалящите го фотоумножители - детекторни вакуумни лампи, съдържащи фотокатод, емитиращ електрони при осветяване.
За да конструира това масивно и сложно научно устройство, екипът от учени и инженери е преодолял редица безпрецедентни технологични предизвикателства. За целта е изкопана подземна пещера, която да побере съоръжението, чийто сводест покрив се издига на 49,5 метра, поставяйки рекорд в Китай.
За да бъдат сферата и течността в нея възможно най-прозрачни, общото количество прах в 20 000 тона течност не трябва да надвишава 0,008 грама, обяснява Ян.
Екипът е разработил патент за фотоумножителите, които се отличават с най-висока ефективност на откриване на фотони. Те са създали и подводна система за защита от експлозия на фотоумножителите и са провели над 30 експеримента за защита от експлозия под вода.
Учените се приложили нововъведения в дизайна на подводните електронни компоненти, като са постигнали надеждност на ниво космически апарати - с изискване за честота на отказите под 0,5 % в рамките на шест години.
След като бъде завършен, детекторът JUNO се очаква да улавя за един ден приблизително 40 реакторни неутрино, няколко атмосферни неутрино, едно геонеутрино и хиляди слънчеви неутрино. При събиране на данни за период от шест години се очаква лабораторията да може да засече около 100 000 неутрино, според Цао.
JUNO е вторият базиран в Китай проект за неутрино, след експеримента в реактора на АЕЦ „Дайа Бей“ в Гуандун. През 2012 г. китайски и чуждестранни физици обявиха, че са измерили трети тип осцилация на неутриното в „Дайа Бей“. Мащабът на JUNO е много по-голям от този на предишния експеримент с много по-чувствителен детектор за неутрино.
Над 700 учени от 74 институции в 17 държави и региони, включително Франция, Италия, Русия, Германия и Белгия, са се присъединили към международното сътрудничество в рамките на проекта JUNO.