Déli sarki fúrás az űr felé

Az Amudsen-Scott állomás kutatói többek között az eget is pásztázzák távoli bolygók, barna törpék, gamma sugarak, blazárok (aktív galaxismagok), sötét anyag és az ősrobbanás háttérzaja után kutatva. Ennek megkönnyítésére hozták létre több nemzet számos egyetemének és kutatóintézetének részvételével az Antarktiszi Müon és Neutrino Érzékelő távcsövet (Antarctic Muon and Neutrino Detecting Array – AMANDA) és annak kiegészítéseként a Jégkocka (IceCube) programot.

Az AMANDA teleszkóp

Az AMANDA teleszkóp az Univerzum születésének nyomait fürkészi a jégkupola alatt. A teleszkóp lényegében egy bowling golyó méretű üveggömbökbe burkolt optikai modulokból álló szenzorsor, amelyet 2000 méter mélyen, a kristálytiszta, -50 °C fokos jégbe fagyva működik.

A mélytengeri kutatásoknál is használt szuper-erős üvegburkolat célja, hogy megvédje a belsejében elhelyezett detektorokat a ránehezedő jég nyomásától. A 2 km mély lyukakat forró víz segítségével fúrták az antarktiszi jégkupolában. A fúrás során használt nagyteljesítményű „zuhanyfej” lejuttatásához csak a Föld erejét vették igénybe. A fúrófejet ugyanis a gravitáció „húzta” a mélybe, így a furat szinte tökéletesen függőleges. Az 50 cm átmérőjű deponáló aknák elkészültével három nap állt a tudósok rendelkezésére, hogy leeresszék az „üveglabdákat” és a felszínre kivezető elektromos vezetékeket és üvegszálas kábeleket. A jégbe fúrt aknák befagyásával a teleszkóp működőképes.

Az AMANDA távcső bowling labda nagyságú optikai modulokból álló hálózatát 1997-ben hozták működésbe. Az optikai modulok elektromos kábelekkel sorba rendezve egy 500 méter magas és 120 méter átmérőjű hengert alkotnak, amelynek a hasznos teleszkóp-mérete így 10.000 négyzetmétert tett ki.

A születés kék villanása

Az üvegmodulok működés közben begyűjtik azt a gyenge és gyorsan tovatűnő fényvillanást, amely akkor képződik, amikor egy neutrínó véletlenszerűen beleütközik egy másik részecskébe (Cserenkov-sugárzás). Ezt az anyagban fellépő fényhatás jelenséget – ami akkor jön létre, amikor az anyagon gyorsabb részecske halad át, mint ahogyan az anyagban a fény terjed – Pavel Alexejevics Cserenkov fedezte fel 1934-ben, elméleti magyarázatát pedig Igor Jevgenyevics Tamm és Ilja Mihajlovics Frank adta. Felfedezésükért 1959-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.

A neutrínók számos forrásból eredhetnek. Az emberi tevékenység atomerőművekben, illetve részecskegyorsítókban állít elő neutrínót. Hasonlóan sok neutrínó termelődik az atomrobbantásoknál is. Földünk belsejében lévő radioaktív anyagok béta-bomlása során szintén keletkeznek neutrínók. Légköri neutrínók a légkör atommagjainak és a kozmikus sugárzás ütközése során keletkeznek a sztratoszférában, a felszabaduló Cserenkov-sugárzást pedig arra használhatjuk fel, hogy meghatározzuk a kozmikus sugárzás intenzitását és forrását. A Nap-neutrínók a csillagok energiáját adó atommagfúzió során keletkeznek. A kozmológiai jelenségek közül pedig egyebek mellett a szupernóvarobbanás fontos végtermékei a neutrínók, ahol a szupernóva energiájának nagy része neutrínó-kitörés formájában távozik. (Erre az első bizonyítékot az 1987A szupernóva szolgáltatta 1987-ben, amelynek bekövetkeztére már a vizuális észlelése előtt számítottak a szupernóva kimutatható neutrínó-kibocsátására alapozva. Ezt tekintik a neutrínó-csillagászat születésének is.) Feltételezik, hogy ezen kívül más forrása is lehet a neutrínónak, például neutroncsillagok ütközése.

A napokban két újabb lyukat fúrtak az antarktiszi jégkupolába azzal a céllal, hogy az „AMANDA” programot kiegészítő IceCube teleszkóp részeként további neutrínó érzékelőket süllyesszenek a jégbe, 2 kilométeres mélységbe.

A neutrínók kutatásának jelentőségével kapcsolatosan Robert Morse, a Wisconsini Egyetem fizika professzora és az AMANDA projekt kutatásvezetője megjegyezte, hogy – „az összes nagy energiájú részecske közül csak a neutrínók tudnak közvetlenül csillagászati információt szállítani a világegyetem pereméről.”

A Vavilov-Cserenkov-hatásnak nevezett jelenség sugárzását a részecskék regisztrálására használják az úgynevezett Cserenkov-számlálókban. Hasonló módszert használnak olyan óriási neutrínó detektorokban, mint amilyen a Super-Kamiokande. (A Super-Kamiokande berendezés Japánban, Kamioka városa közelében, egy hegy gyomrában található. A 22.500 köbméteres, ultratiszta vízzel telt rozsdamentes acéltartály, amelyet 11.146 nagyfelületű fotoelektron-sokszorozó figyeli, összesen mintegy 4000 m2 katódfelülettel. Ezt a detektort 600 m földréteg mellett egy 4, 7 m vastag külső Cserenkov-detektor védi a kívülről jövő sugárzás zavaró hatásától, a külső árnyékoló detektorban további 1.885 kifelé néző fotoelektron-sokszorozó figyeli a fő detektorba kívülről behatoló, valamint az azt elhagyó részecskéket.)

Neutrínó detektorok a világban

A többi híres neutrínó detektor is ilyen „egzotikus” helyen van: például Hawaii partjai előtt 4 km mélyen a tengerben, a Bajkál-tóban 1 km mélységben, elhagyott bányákban és a Gran Sasso hegy alatt átmenő autópálya alagútban. A helyszín megválasztása nem véletlen. A neutrinó rendkívüli áthatolóképességű, az anyaggal alig lép kölcsönhatásba, tehát a Föld mélyéig is könnyedén eljut. Ebben a mélységekben azonban a kozmikus sugárzás többi összetevője már elég jól kiszűrhető. Ez játszott szerepet az Antarktisz kiválasztásánál is, mivel a jégnek kicsi a természetes sugárzása, emellett nagyobb mélységben a nyomás miatt gyakorlatilag buborékmentes a jég.

Az Amanada projekt a felszínről

A neutrínók észleléséhez az AMANDA kutatói a jégben elhelyezet érzékelők láncolatát használják. A fényjelenséget megsokszorozó műszerek lényegében nem látják a neutrínókat. Arra lettek ugyanis kitalálva, hogy azt a fényt lássák, amit a neutrínó és a fagyott vízben lévő hidrogén vagy oxigén kölcsönhatásakor létrejövő szubatomi részecskék, a müonok bocsátanak ki villanásnyi „életük” során, a másodperc kétszáz milliomod része alatt.

A több érzékelőből nyert információk alapján az AMANDA kutatói remélik, hogy megtudhatják, honnan ered a neutrínó és miféle kozmikus motor indította útjára.

Kapcsolódó anyagok angol nyelven: