Japanilainen neutriinoilmaisin Hyper-Kamiokande etenee. Louhinta on saatu pian loppuun, ja tieteelliset mittaukset alkanevat vuonna 2028.
Japaniin rakennettavan maailman suurimman neutriino-observatorio Hyper-Kamiokanden kallioluolan louhintatyöt ovat valmistumassa pian, japanilaisissa lehdissä uutisoitiin kesäkuun lopussa. 94 metriä korkea ja halkaisijaltaan 64-metrinen suurin piirtein ympyrälieriömäinen onkalo valmistunee jo heinäkuun aikana, kerrottiin esimerkiksi televisiokanava NHK:n englanninkielisessä uutisessa.
Hyper-Kamiokande-hankkeesta päätettiin vuonna 2020. Käytännön työt aloitettiin keväällä 2021, hanketta johtava Tokion yliopisto kertoi tuolloin tiedotteessaan. Japanin ohella hankkeeseen osallistuu tutkijoita ja instituutteja paristakymmenestä maasta.
Alun perin Hyper-Kamiokanden oli tarkoitus aloittaa toimintansa vuonna 2027, mutta NHK:n mukaan aikataulu on nyt venynyt vuodella eteenpäin.
Muidenkin neutriinoilmaisimien tavoin Hyper-Kamiokande täytyy sijoittaa syvälle kiven sisään. Eri lähteiden mukaan kalliota on observatorion päällä 600–650 metriä.
Sijainti kallion alla on välttämätöntä, sillä neutriinot tunnetaan aavehiukkasina, jotka läpäisevät tavallista ainetta lähes esteettä jopa tähtitieteellisten kappaleiden mittakaavassa. Jotta jäisi mitään toivoa harvinaisten ja heikkojen neutriinosignaalien erottamisesta, täytyy observatorio suojata mahdollisimman täydellisesti kosmiselta hiukkassäteilyltä.
- Lue lisää hiukkasobservatorioista:
Hyper-Kamiokande sijaitsee samalla seudulla Japanin Gifun maakunnassa kuin kaksi aikaisempaa neutriino-observatoriota, vuosina 1983–1995 toiminut (ensimmäinen) Kamiokande ja vuodesta 1996 alkaen toiminut Super-Kamiokande. Nämä ilmaisimet sekä joukko muitakin mittalaitteita muodostavat yhdessä Kamiokan observatorion.
Kamiokassa tehdystä tutkimuksesta on myönnetty aiemmin kaksi Nobelin fysiikan palkintoa, vuosina 2002 ja 2015.
260 kilotonnin tankki äärimmäisen puhdasta vettä
Kun Hyper-Kamiokanden kallioluola on valmistunut, sen sisälle päästään rakentamaan suuri, noin 260 000 tonnia vettä nielevä tankki. Se vuorataan sisäpinnaltaan kahdella kerroksella halkaisijaltaan puolimetrisiä valomonistinputkia. Nämä noin 40 000 putkea toimivat neutriinojen aiheuttamien valonvälähdysten ilmaisimina.
Jotta veden epäpuhtaudet eivät häiritsisi valon kulkua eivätkä mahdolliset radioaktiiviset epäpuhtaudet pilaisi koetta, täytyy veden olla äärimmäisen puhdasta. Alempana tässä jutussa laskemme japanilaisten ilmoittamien tietojen pohjalta, että mineraaliepäpuhtauksia vesi saa sisältää enintään 0,000 000 1 massaprosenttia ennen mahdollisten kontrolloitujen lisäaineiden kuten gadoliniumsulfaatin annostelua.
Joitakin yksittäisiä epäpuhtauksia vedessä kyetään mittaamaan suorastaan mielipuolisen tarkasti – yksittäisten atomien tarkkuudella.
Kyllä, luit oikein: yksittäisinä atomeina. Radioaktiivisen jalokaasu radon-222:n pitoisuudeksi nykyisin toimivan Super-Kamiokanden vedessä on kokeellisesti määritetty alle 0,1 atomia litrassa. Massamääräisesti se tarkoittaa alle 0,000000 000000 000000 000004 prosentin pitoisuutta.
Hyper-Kamiokandessa tuskin tyydytään vähempään puhtauteen.
Tätä lukua voidaan verrata vaikkapa Helsingin vesijohtoveteen. Sen runsain mineraali on HSY:n analyysien mukaan kalsium. 6 milligrammaa litrassa vastaa kalsiumin atomimassa huomioiden 0,15 millimoolia litraa kohti – mikä tarkoittaa 90 000000 000000 000000 kalsiumionia per litra.
Kalsium on toki paljon arkisempi alkuaine kuin radon, mutta kertaluokkaero radonin pitoisuuteen Kamiokanden ilmaisinten vedessä on silti pysäyttävä.
Teoreettista tutkimusta
Hyper-Kamiokandella tutkitaan sekä hiukkasfysiikan perusteita että eräitä hieman konkreettisempia fysiikan ja tähtitieteen tapahtumia. Kenties tärkein tutkimuskohde on neutriinojen kvanttimekaanisten ”värähtelyjen” seuranta. Neutriinojen värähtely tarkoittaa kolmen neutriinotyypin muuttumista toisikseen.
Auringossa syntyvien neutriinojen tarkkailu puolestaan saattaa paljastaa jotain uutta Auringon sisäisestä toiminnasta. Myös siitä saatetaan saada lisää tietoa, kuinka täydellisen lähellä sataa prosenttia on neutriinojen läpäisykyky Maapallon halki.
Valmistuessaan observatorio odottaa lisäksi koko ajan varuillaan siltä varalta, jos lähiavaruudessa räjähtää supernova. Tietyn tyyppiset supernovat eli tähtiräjähdykset päästävät matkaan mielipuolisen purkauksen neutriinoja.
- Lisää supernovista ja neutriinoista:
Lisäksi Hyper-Kamiokandella mitataan japanilaisesta J-Parc-hiukkaskiihdyttimestä noin 250 kilometrin päästä tarkoituksellisesti Kamiokaa kohti Maan läpi tähdättyä neutriinosädettä.
Neutriinot ovat sinänsä samanlaisia keskenään, mutta niiden alkuperästä voidaan tehdä päätelmiä niiden energian pohjalta. Energia voidaan laskea ilmaisimien rekisteröimistä valonvälähdyksistä.
Näin lasketaan radonin määrä vedessä
Syksyllä 2020 julkaistun kokeellisen raportin mukaan radonin isotooppia Rn-222 havaittiin Super-Kamiokanden tankin vedessä ilmaisimen keskiosissa alle 0,00023 becquerelia kuutiometriä kohti. Radioaktiivisuuden määrä kertoo suoraan radonatomien määrän, sillä yksi becquerel tarkoittaa määritelmän mukaan yhtä ydinhajoamista sekunnissa.
Lasku lähtee liikkeelle radon-222:n puoliintumisajasta 3,82 vuorokautta. Se vastaa 5,51 vuorokauden eli 476 000 sekunnin keskimääräistä elinaikaa. Tämä puolestaan tarkoittaa suoraan, että yhden sekunnin aikana keskimäärin yksi radon-222-atomi 476 000:a kohti hajoaa, eli yhden radonatomin aktiivisuus on 1 per 476 000 becquerelia.
Edellä selostettu matemaattinen muunnos voidaan laskea eksponentiaalisen vaimenemisen matematiikasta. Keskimääräinen elinaika on suoraan verrannollinen puoliintumisaikaan, mutta aina puoliintumisaikaa pidempi kertoimella 1/ln(2) eli noin 1,4427.
Jos siis yhdessä kuutiometrissä havaitaan Rn-222-hajoamisia alle 0,000 23 kappaletta sekunnissa per kuutiometri, on radonatomeja kuutiometriä kohti vähemmän kuin 0,000 23 × 476 000 eli noin 100. Se vastaa 0,1 atomia litrassa.
Koska yksi mooli on määritelmän mukaan 6,022 × 10²³ kappaletta ja yksi mooli radon-222-atomeja painaa noin 222 grammaa, vastaa 0,1 atomia Rn-222:a per litra noin 4 × 10⁻²³ grammaa per litra.
Ottaen huomioon, että litrassa on tuhat grammaa, tämä tekee massapitoisuudeksi 4 × 10⁻²⁴ prosenttia eli auki kirjoitettuna edellä mainitut 0,000000 000000 000000 000004 prosenttia.
Näin lasketaan kokonaispuhtaus
Entäpä veden mineraali- ja suolaepäpuhtauksien kokonaismäärä? Siitä toimittaja ei löytänyt suoria lukuja, mutta tältäkin osalta vastaus voidaan suurin piirtein laskea julkisista tiedoista – kunhan muistamme jotakin kemiasta.
Tutkijat ovat nimittäin julkaisseet tiedon veden sähkönjohtavuudesta. Ennen kuin mahdollisia kontrolloituja epäpuhtauksia on lisätty, on sähkönjohtavuus saatu heidän mukaansa ”lähelle” absoluuttisen puhtaan veden luontaista sähkönjohtavuutta.
Koska tieto ilmoitettiin kahden merkitsevän numeron tarkkuudella (55 nS/cm), oletamme epävarmuuden olevan noin 2 prosentin luokkaa (± 1 nS/cm).
Jos oletetaan todennäköisten epäpuhtauksien olevan natriumkloridin ja kalsiumvetykarbonaatin kaltaisia erittäin yleisiä mineraaleja, tämä tarkoittaa suuruusluokkaa 99,999 999 9 prosentin vähimmäispuhtautta massan mukaan.
Vastaus voidaan arvioida, kun tiedetään, mistä johtuu absoluuttisen puhtaan veden pieni luontainen sähkönjohtavuus: veden spontaanista hajoamisesta vähäisessä määrin vetyioneiksi ja hydroksidi-ioneiksi. Sähköisesti varautuneina hiukkasina nämä ionit johtavat sähköä. Täydellisen puhtaassa vedessä molempien pitoisuus moolien mukaan on 0,1 µmol/L ja niiden summa siten 0,2 µmol/L.
Niinpä ensimmäisenä likiarviona voitaisiin heittää, että Kamiokande-vesi sisältää ioneja kaksi prosenttia tästä eli kertoimella 50 vähemmän, noin 4 nmol/L.
Laskussa täytyy kuitenkin huomioida se, että vety- ja hydroksidi-ionit nostavat veden sähkönjohtavuutta erityisen paljon. Useimmilla tavanomaisilla ioneilla vaikutus on noin viisinkertaisesti pienempi. Siispä useimmat ionit pääsevät ikään kuin piiloutumaan paremmin, ja vesi saattaa sisältää niitä suuruusluokkaa viisinkertaisesti enemmän: noin 20 nmol/L.
Tyypillisten mineraaliepäpuhtauksien moolimassat ovat suuruusluokassa 50–100 mol/L. Esimerkiksi kalsiumvetykarbonaatin moolimassa on 101 g/mol ja natriumkloridin 58,5 g/mol. Koska suolat sisältävät sekä negatiivisen että positiivisen ionin, pitää luvut vielä jakaa kahdella. 1:1-suoloille, kuten edellä mainituille, moolimassa yhtä ionia kohti on 25–50 g/mol.
Niinpä 20 nmol/L ioneja vedessä vastaa suuruusluokkaa yksi mikrogramma litrassa tai vähän alle. Se on 0,000 000 1 massaprosenttia, mikä kääntäen tarkoittaa 99,999 999 9 prosentin puhtautta suolamaisten ja mineraaliepäpuhtauksien suhteen.
