Süper Kamiokande Gözlemevi

Japonya, çağımızın en parlak fizikçilerine ev sahipliği yapıyor. Uzun zamandır böyle oldu ve bugünün makalesinde sizi en büyük enstrümanlarından biri olan Süper Kamiokande Gözlemevi ile tanıtacağım. 

Süper Kamiokande aslında Japonya’daki bir başka büyük gözlemevinin, Kamioka Gözlemevinin, aynı zamanda bir nötrino ve yerçekimi dalgaları laboratuvarının halefidir. Yapımı 1982’de başladı ve Nisan 1983’te tamamlandı. Gözlemevinin amacı, Evreni anlamamız için temel bir soru olan proton çürümesinin var olup olmadığını görmekti. Bu güne yönelik tüm girişimler başarısız oldu.

Ancak, Kamioka Gözlemevi’nde çalışmak daha verimli olamazdı. Gözlemevini yöneten çalışmaları ve astrofizik nötrinoların ilk tespiti için Masatoshi Koshiba 2002 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Bu ödül, Takaaki Kajita olarak en son Kamiokande fizikçilerine verilecekti. 2015’teki çalışmaları için kazandı. Hipotezlerinden beri, nötrinolar her zaman fizikçileri şaşırttı. Doğanın hayalet parçacıkları olarak bilinirler.

Süper Kamiokande dedektörü astrofizikte çok önemli bir soruna, güneş nötrino sorununa yanıt olarak tasarlanmıştır. Sorunun nötrino salınımı ile ilgisi olduğundan şüphe edildi ve bu nedenle Süper Kamiokande salınım hipotezini test etmek için yapıldı. Enstrümanları 1996 yılında çalışmaya başladı.

O zamandan beri, Süper Kamiokande muazzam bir ilerleme kaydetti. 

Süper Kamiokande büyük bir su Cherenkov dedektörüdür. Bu ne anlama geliyor? Çok sayıda ultra saf su tutan silindirik bir paslanmaz çelik tank içerir. İçine monte edildiğinde, Cherenkov radyasyonunu tespit eden fotoçoğaltıcılar var. Cherenkov radyasyonu, yüklü bir parçacık bir dielektrik ortamdan o ortamdaki ışığın (faz) hızından daha yüksek bir hızda geçtiğinde yayılan elektromanyetik radyasyondur.

Buradaki ortam su olduğundan, sudaki ışığın hızına sahibiz. Olan şey, Cherenkov radyasyon konisinin yaratılmasıdır, çünkü su çekirdeğinin elektronları ile nötrino etkileşimi, sudaki ışık hızından daha hızlı ilerleyen bir elektron veya pozitron üretebilir. Ve böylece, nötrinoların yönleri ve lezzetleri belirlenebilir. Su dalgalarının hızından daha hızlı hareket eden bir teknenin ürettiği yay dalgasına benzer.

Daha ayrıntılı olarak, su deposu 39.3 m çapında ve 41.4 m yüksekliğindedir. Dedektör duvarlarına takılan yaklaşık 13.000 PMT (fotoçoğaltıcı tüp) vardır ve her biri yaklaşık 3.000 $ ‘dır. Dedektör 50 kT ultra saf su ile doldurulur. 

Optik olarak izole edilmiş iki PMT hacmi vardır, ID (iç dedektör) ve OD (dış dedektör). 2001 yılında bir patlamanın ardından bir kaskadda yarıdan fazlası imha edilen 11.129 içe PMT vardır. 2002’den sonra diğer kaskad felaketlerinden kaçınmak için iç PMT’lerin tamamı fiberglas ve akrilik kalkanlarla kaplandı. 

Öyleyse neden bir dış dedektöre (OD) de ihtiyaçları var? Uzun lafın kısası, nötrino olaylarını kozmik muon olaylarından ayırt etmeye yardımcı olur. 

Sana proton bozunması, güneş nötrino sorunu veya nötrino salınımı hakkında birçok soru bıraktığımı hissediyorum. Yaptığımı biliyorum. Onları kısaca açıklamaya çalışacağım, daha çok güneş nötrino sorununa odaklanacağım, ancak sonuçta hepsi birbiriyle ilişkili. Ve tüm bunlar bir şeye işaret ediyor: nötrinoların nasıl çalıştığını anlamıyoruz. Süper Kamiokande bunu yapmaya çalışır. 

“ Güneş nötrino problemi ” duyulurken, Güneş’ten geldiği gözlenen nötrino miktarının Güneş’ten gelmesini beklediğimiz miktarla aynı olmadığını düşünüyoruz . Bu tutarsızlık ilk olarak 60’larda gözlendi. Sayı açığı yarı yarıya üçte iki idi.

Standart Model bize nötrinoların üç çeşide geldiğini söyler: elektron nötrinoları, muon nötrinoları ve tau nötrinoları. Elektron nötrinoları Güneş’in ürettiği ve Dünya’da tespit edebildiğimizdir.

70’lerde, neredeyse tüm bilim camiası tarafından nötrinoların kütlesiz olduğuna inanılıyordu. Bununla birlikte, Bruno Pontecorvo 1968’de nötrinoların kitleye sahip olabileceğini önerdi ve eğer yapabilirlerse, lezzetlerini değiştirebilecekleri sonucuna vardı. Yani, “eksik” olan güneş nötrinoları aslında orada olabilir, ancak gözlemleyemediğimiz diğer tatlarda.

Temel olarak, son paragrafta, kısaca size nötrino salınımının ne olduğunu anlattım. Tatlar arasındaki “salınım” dır. Nötrino salınımının varlığına dair güçlü kanıtlar 1998’de Süper Kamiokande dedektöründen geldi. Takaaki Kajita, bu deneylerdeki çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. 

Kamioka Gözlemevi’nin ana hedefi de dahil olmak üzere hala cevap bulamadığımız birçok sorun var: proton çürümesinin var olup olmadığını bulmak. Hyper-Kamiokande dedektörünün inşası 2019’da başladı ve bu yıl çalışmaya başlaması bekleniyor. Veri alımının başlaması 2027 için planlandı. Dedektör, Japonya’nın 28 öncelikli projesinde sıralandı.