Οι ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των νετρίνων χρειάζονται δεκάδες χιλιάδες τόνους καθαρού υγρού αργού. Πώς μπορούμε να βρούμε τόσο πολύ αργό;
Το αργό είναι ένα ευγενές αέριο, που σημαίνει ότι δεν αντιδρά με άλλα στοιχεία. Είναι ένας βαρύτερος ξάδερφος του ηλίου, αν και δεν κάνει τη φωνή σας αστεία. Το υγρό αργό μοιάζει πολύ με νερό. Είναι διαφανές, και διατηρείται υγρό σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Πολλοί σύγχρονοι ανιχνευτές νετρίνων χρησιμοποιούν αργό σε υγρή μορφή ως το μέσο αλληλεπίδρασης των νετρίνων. Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν σπάνια με την ύλη (διαβάστε σχετικά: Γιατί τα νετρίνα είναι τόσο ‘αντικοινωνικά’; ) – αλλά το σπάνια δεν σημαίνει ποτέ. Αν τα νετρίνα αλληλεπιδράσουν με άτομα αργού θα δημιουργήσουν μια δέσμη σωματιδίων που στη συνέχεια κινούνται στον ανιχνευτή. Κατά την διαδρομή τους αλληλεπιδρούν με ηλεκτρόνια από άλλα άτομα αργού. Χρησιμοποιώντας ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, οι επιστήμονες συλλέγουν αυτά τα ηλεκτρόνια και τα χρησιμοποιούν για να προσδιορίσουν την πορεία των σωματιδίων που δημιουργούνται στη σύγκρουση. Στη συνέχεια, μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις τροχιές για να μελετήσουν τις λεπτομέρειες της αλληλεπίδρασης και έτσι να αντλήσουν πληροφορίες για το νετρίνο που σταμάτησε στον ανιχνευτή.
Αποδεικνύεται ότι το υγρό αργό είναι τόσο καλό υλικό για τη μελέτη των νετρίνων που οι επιστήμονες της Fermilab το έχουν χρησιμοποιήσει σε πολλούς από τους ανιχνευτές τους. Υπάρχει ο ανιχνευτής MicroBooNE, ο οποίος χρησιμοποιεί 170 τόνους υγρού αργού. Και μετά υπάρχει το SBND και το ICARUS, που χρησιμοποιούν 270 και 760 τόνους, αντίστοιχα.
Αλλά αυτοί οι ανιχνευτές είναι πολύ μικροί σε σύγκριση με τον ανιχνευτή DUNE, ο οποίος είναι υπό κατασκευή. Όταν ολοκληρωθεί, ο ανιχνευτής DUNE αναμένεται να χρησιμοποιήσει 70.000 τόνους υγρού αργού. 70.000 τόνοι! Iσοδυναμούν με 50.000 κυβικά μέτρα. Για να δώσουμε μια αίσθηση κλίμακας, αυτός είναι ο όγκος περίπου 110 κλασικών αμερικανικών σπιτιών με 3 υπνοδωμάτια. Πού βρίσκουν οι επιστήμονες τόσο υγρό αργό; Το υγρό αργό είναι ένα προϊόν που διατίθεται στο εμπόριο. Χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία κατασκευής ευαίσθητων ηλεκτρονικών. Όμως το υγρό αργό που διατίθεται στο εμπόριο δεν είναι αρκετά καθαρό για να χρησιμοποιηθεί σε ανιχνευτές νετρίνων.
Το αργό αποτελεί περίπου το 1% του αέρα που αναπνέετε κάθε μέρα. Το αργό που διατίθεται στο εμπόριο συλλέγεται από τον αέρα. Το 78% του αέρα είναι άζωτο και το 21% οξυγόνο. Το αργό είναι το μεγαλύτερο μέρος των υπολοίπων, ακολουθούμενο από ίχνη διοξειδίου του άνθρακα, νερό, αιθαλομίχλη και άλλα. Για να φτιάξουν υγρό αργό, οι βιομηχανίες πρώτα παίρνουν αέρα και τον περνούν μέσα από φίλτρα για να τον καθαρίσουν από το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα, τη σκόνη και άλλους ρύπους. Στη συνέχεια ψύχουν τον αέρα μέχρι να υγροποιηθεί. Ο υγρός αέρας μοιάζει με το νερό. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούν τις ιδιότητες του αζώτου, του οξυγόνου και του αργού για να τα διαχωρίσουν – συγκεκριμένα το γεγονός ότι καθένα από αυτά τα υλικά βράζει σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Το οξυγόνο βράζει στους 90 Kelvin, το αργό στους 87 Kelvin και το άζωτο στους 77 Kelvin. Χρησιμοποιείται μέθοδος απόσταξης παρόμοια με την παρασκευή δυνατών ποτών ή των προϊόντων πετρελαίου. Η ποσότητα αέρα που χρειάζεται για την εξαγωγή 70.000 τόνων αργού είναι εντυπωσιακή: απαιτείται η ποσότητα του αέρα που περιέχεται σε έναν κύβο με μήκος πλευράς έξι χιλιομέτρων.
Για τους ανιχνευτές νετρίνων απαιτείται αργό με εξαιρετική καθαρότητα. Το αργό που διατίθεται στο εμπόριο είναι καθαρό, με ελάχιστες προσμίξεις, 0,1 μέρη ανά εκατομμύριο. Αυτό σημαίνει σε 70.000 τόνους υγρού αργού, οι συνολικές προσμίξεις είναι περίπου 7 κιλά. Αρκεί αυτή η καθαρότητα στους ανιχνευτές νετρίνων; Γιατί καθαρότητα έχει τελικά σημασία; Προκειμένου το υγρό αργό να είναι ένα καλό υλικό για χρήση σε μια εγκατάσταση τόσο μεγάλη όσο ο ανιχνευτής DUNE, θα πρέπει τα ηλεκτρόνια να μπορούν να διανύσουν αρκετά μέτρα. Αυτό συμβαίνει γιατί το σημείο όπου θα αλληλεπιδράσει ένα νετρίνο μπορεί να είναι αρκετά μέτρα μακριά από τα ηλεκτρονικά που ανιχνεύουν το σήμα. Τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στο υγρό αργό είναι σαν τα φωτόνια που κινούνται μέσα σε γυαλί. Αν το γυαλί είναι έστω και ελαφρώς θολό, δεν θα μπορούμε μέσα από αυτό πολύ μακριά. Θέλουμε το γυαλί να είναι διαφανές. Για να είναι καλός ανιχνευτής νετρίνων, το υγρό αργό πρέπει να είναι διαφανές στα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα από αυτό. Και οι προσμίξεις κάνουν κακό στη διαφάνεια του αργού.
Ο πιο κοινός ρύπος στο υγρό αργό είναι το οξυγόνο και το οξυγόνο αλληλεπιδρά εύκολα με τα ηλεκτρόνια. Μόνο λίγο οξυγόνο μπορεί να καταστήσει αδύνατη την κίνηση των ηλεκτρονίων. Αν κατασκευάζατε έναν ανιχνευτή χρησιμοποιώντας το υγρό αργό που διατίθεται στο εμπόριο, τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να ταξιδέψουν περίπου δύο χιλιοστά μόνο. Και οι φυσικοί χρειάζονται κάτι περισσότερο από αρκετά μέτρα. Ο ανιχνευτής νετρίνων χρειάζονται υγρό αργό με καθαρότητα πάνω από δέκα μέρη ανά τρισεκατομμύριο – ή τουλάχιστον αρκετές χιλιάδες φορές πιο καθαρό από αυτό του εμπορίου. Το να φτάσουμε σ’ αυτό το επίπεδο καθαρότητας είναι δύσκολο, όχι όμως αδύνατο. Βασίζεται στο γεγονός ότι το οξυγόνο αντιδρά πολύ εύκολα. Όταν το αργό ρέει μέσα από από μέταλλα, π.χ. χαλκό, το μέταλλο ‘αρπάζει’ το οξυγόνο και αφήνοντας το αργό μόνο του. Μια καθαρότητα δέκα μερών ανά τρισεκατομμύριο σημαίνει ότι σε 70 χιλιάδες τόνους αργού περιέχεται περίπου ένα γραμμάριο προσμίξεων.
Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο που ακολουθεί με τον Dοn Lincoln από το Fermilab:
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε