Pod koniec lipca w Japonii zakończono drążenie ogromnej jaskini, która pomieści największy na świecie detektor neutrin – Hyper-Kamiokande. W projekcie uczestniczą także naukowcy z kilku polskich instytucji.
Hyper-Kamiokande to powstające obserwatorium oraz eksperyment neutrinowy, prowadzony przez Uniwersytet Tokijski i ośrodek badawczy KEK we współpracy z instytucjami naukowymi z całego świata. Celem projektu jest m.in. zbadanie możliwości rozpadu protonów, pomiar efektów łamania symetrii między neutrinami a antyneutrinami oraz obserwacja neutrin pochodzących z supernowych. Eksperyment ma również przyczynić się do lepszego zrozumienia Teorii Wielkiej Unifikacji i historii ewolucji Wszechświata
Drążenie jaskini, w której znajdzie się eksperyment Hyper-Kamiokande, trwało niemal 3 lata. Główna komora skalna składa się z segmentu stropowego w kształcie kopuły o średnicy blisko 69 metrów i wysokości 21 metrów, poniżej którego znajduje się sekcja cylindryczna o wysokości 73 metrów. Komora ta jest jedną z największych kawern wydrążonych przez człowieka w skale macierzystej. Teren budowy detektora charakteryzuje się występowaniem gnejsu Hida, jednej z najtrwalszych skał spotykanych w Japonii. Warto zaznaczyć, że właściwości tej formacji skalnej i występujące w niej naprężenia mają znaczący wpływ na stabilność kawerny podczas procesu jej drążenia, a także już po zakończeniu prac. Przed rozpoczęciem wykopów w 2020 roku zrealizowano na tym terenie wielkoskalowe badania geologiczne, w wyniku których wykonano łącznie 730 metrów odwiertów i wykopano nowe tunele. Tego rodzaju badania były prowadzone od najwcześniejszych etapów projektu, a na bazie ich wyników podjęto później prace projektowe nad kształtem i metodami wzmocnienia ścian kawerny.
Sekcja sklepienia (kopuła) głównej kawerny ma kluczowe znaczenie dla stabilności konstrukcji, ponieważ dzięki trójwymiarowemu efektowi łuku wytrzymuje duże naprężenia pionowe występujące w miejscu budowy. Po uzyskaniu dostępu do najwyższego punktu sekcji kopuły za pomocą tymczasowego tunelu spiralnego w listopadzie 2022 roku przestrzeń kawerny była stopniowo rozszerzana na zewnątrz, podczas gdy łukowaty strop stabilizowano przy pomocy betonu natryskowego i specjalnych śrub napinających.
W sierpniu rozpocznie się przekształcanie głównej kawerny w gigantyczny zbiornik, który pomieści 260 tys. metrów sześciennych wody. Budowa dwuwarstwowej konstrukcji detektora wewnątrz zbiornika zacznie się w 2026 roku, a następnie planowana jest instalacja fotodetektorów i innych komponentów badawczych. W ramach przygotowań do tej fazy w Japonii ma obecnie miejsce masowa produkcja nowo opracowanych 50-centymetrowych fotopowielaczy. W zagranicznych instytucjach współpracujących w ramach projektu trwają końcowe prace nad realizacją i przejściem do masowej produkcji osłon ochronnych, modułów multi PMT, jednostek fotodetektorów dla detektora zewnętrznego oraz elektroniki podwodnej dla Hyper-K. Wszystkie komponenty detektora działające wewnątrz zbiornika mają zostać zainstalowane do 2027 roku, po czym zbiornik zostanie napełniony ultraczystą wodą. Detektor rozpocznie pracę w 2028 roku.
W eksperymencie Hyper-Kamiokande uczestniczy obecnie ponad 600 osób z 22 krajów. W tym gronie są też naukowcy z dziewięciu polskich ośrodków: Akademii GórnIczo-Hutniczej w Krakowie, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Wrocławskiego, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Śląskiego, Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN. Są odpowiedzialni między innymi za budowę układu detekcyjnego eksperymentu i przygotowanie narzędzi do rekonstrukcji i analizy oddziaływań neutrin.
Hyper-Kamiokande będzie typem detektora, który wykorzystuje zjawisko promieniowania Czerenkowa do rejestracji wytworzonych przez neutrina cząstek naładowanych i pomiaru ich energii. Budowany eksperyment będzie ponad 8-krotnie większy (260 kiloton masy wody), niż obecnie działający w Japonii detektor Super-Kamiokande. Zaletą tego typu eksperymentów jest prosta zasada działania: obszar, w którym rejestrowane są neutrina stanowi duża objętość wypełniona bardzo czystą wodą, otoczona detektorami światła (fotopowielaczami). Neutrina przechodzące przez detektor mogą oddziaływać z elektronami w wodzie, co powoduje powstanie cząstek naładowanych, poruszających się szybciej, niż wynosi prędkość światła w wodzie. Prowadzi to do emisji promieniowania Czerenkowa w kształcie stożka. Zjawisko to jest optycznym odpowiednikiem fali uderzeniowej powstającej przy pokonywaniu prędkości dźwięku w powietrzu. Promieniowanie to, o charakterystycznym błękitnym kolorze, jest rejestrowane w postaci okręgów przez fotopowielacze pokrywające ściany zbiornika. Na tej podstawie możliwe jest odtworzenie parametrów cząsteczki, która wywołała ten efekt, jak również samego neutrina.
MK, źródło: UJ, NCBJ
PROJEKT POLDEN: STUDIUM KONCEPCYJNE DŁUGOBAZOWEGO EKSPERYMENTU OSCYLACJI NEUTRIN NA LINII CERN – SUWAŁKI
Oj AKADEMICY, nie rokujecie przełomowych odkryć! Rok czasu upłyną, a Wy nic! Podważcie naukowy bezsens tej koncepcji?
ABSTRAKT. W niniejszym opracowaniu przedstawiono interdyscyplinarne studium koncepcyjne projektu POLDEN – nowatorskiego, wielkoskalowego eksperymentu neutrinowego nowej generacji na osi CERN LHC – Suwałki o długości bazy wynoszącej około 1300 km. W celu optymalizacji fizycznej i geotechnicznej, w raporcie poddano analizie dwa komplementarne warianty architektoniczne detektora końcowego: Wariant A (tunel o średnicy 6,0 m w układzie 4-zwojowej helisy) oraz Wariant B (szerokoprofilowy tunel o średnicy 12,0 m w układzie 1-zwojowej pętli). Obie konfiguracje zakładają drążenie wyrobiska o stałym skoku pionowym 250 m za pomocą maszyn typu Gripper TBM w strukturze prekambryjskiego Suwalskiego Masywu Anortozytowego (głębokość 1000–2000 m p.p.t.). Unikalna zwięzłość i wysoka wytrzymałość mechaniczna anortozytu (do 220 MPa) umożliwiają całkowitą eliminację żelbetowej obudowy tubingowej, co redukuje nakłady inwestycyjne (CAPEX) o 30–40% oraz drastycznie ogranicza radiogeniczne tło cementowe. Udokumentowana głęboka, ujemna anomalia geotermiczna Suwalszczyzny połączona z integracją hydrauliczną z reliktową paleozmarzliną w Udryniu (+1°C) pozwala na budowę zamkniętej pętli pasywnego chłodzenia układów elektronicznych oraz matrycy ok. 105 000 fotopowielaczy (PMT). Technologia ta zapewnia zerowy ślad węglowy chłodzenia, eliminuje lokalną konwekcję cieplną medium i kilkukrotnie obniża szum termiczny sensorów (Dark Count Rate). Rozważana implementacja domieszki siarczanu gadolinu (Gd) na poziomie 0,01–0,1% masowo gwarantuje wysoką sprawność znakowania neutronów, otwierając detektor na rejestrację dyfuzyjnego tła neutrin z historycznych supernowych (DSNB). Generując masę czynną rzędu 0,35–0,50 Megatony, projekt POLDEN stanowi wysoce konkurencyjny, komplementarny trzeci filar globalnego programu badań nad łamaniem symetrii CP oraz hierarchią mas neutrin, stanowiąc niezależny punkt weryfikacyjny dla flagowych projektów Fermilab/DUNE oraz Hyper-Kamiokande.
Słowa kluczowe: fizyka neutrin, eksperymenty długo bazowe, Suwalski Masyw Anortozytowy, tarcza Gripper TBM, paleozmarzlina Udryń, domieszkowanie gadolinem, efekty materii MSW.
TO TYLKO UCHYLENIE RĄBKA KONCEPCJI
Projekt Detektora Neutrin "POLDEN" w SAM
Polsce jest gotowy projekt budowy znacznie większego detektora neutrin w warunkach geologicznych korzystniejszych niż skała wokół detektora Hyper-Kamiokande. Również sama detekcja światła Czernkowa będzie wielokrotnie wydajniejsza. Zbiornik ma pojemność ~400k m3, PMT 300k. ma kształt spiralny, lokowany na głębokości od 1000 do 2000 m, napełnienie zbiornika dokona się ze złoża wody krystalicznie czystej znajdującego się w okolicy przewidzianej budowy detektora. Maksymalna odległość fotopowielacza do środkowej części przekroju to 4 m, czystość wody nie musi być ultra. Autor projektu zgłębił wszystkie detektory jakie pracują, pracowały w szerokim świecie, od Chicago, Biegun Południowy, Bajkał byłej kopalni złota czy w kopalni KGHM. Detektor można będzie podzielić na trzy niezależne zbiorniki. (woda, lód lub gaz) Koncepcja budowy detektora nie była publikowana. Koszt budowy detektora autor szacuje na 8-10 mld EUR.
Autor detektora ma nadzieję, że polskie instytucje naukowe zauważą projekt, sama dyskusja nad oryginalną koncepcją detektora może wywołać zainteresowanie świata naukowego, tym samym zdecydowanie podnieść poziom nauki polskiej.
Detektor jest ściśle związanym z innym planowanym przedsięwzięciem gospodarczym.
Ciekawe czy młodzi naukowcy zlokalizują tak wyjątkowe miejsce budowy detektora. Autor doświadczał techniki drożenia wyrobisk górniczych, jest prawnikiem, ekonomistą i pasjonatem fizyki kwantowej.