Частицы нейтрино: Различные типы нейтрино |

Содержание

Различные типы нейтрино

Доказательство не тождественности
нейтрино и антинейтрино

    Сразу же
после открытия антинейтрино возник очевидный вопрос – тождественна ли открытая
частица нейтрино или нет. Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда,
теоретически не было исключено, что оно по своим свойствам тождественно
антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей. Такое нейтрино
впервые было рассмотрено итальянским физиком
Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским».
В противоположность этому типу, нейтрино, не являющееся истинно нейтральным,
было названо «дираковским».
    Для
выяснения этого вопроса Р. Дэвисом в 1955 г. был поставлен
эксперимент по регистрации реакции:

n +
_e
→ p + e⁻(1)

Если нейтрино
и антинейтрино являются тождественными частицами, то эта реакция должна
наблюдаться. Это следует из того, что имеют место реакция:

p +
_e
→ n + e⁺(2)

Обе реакции
((1) и (2)) при тождественности нейтрино и антинейтрино должны
иметь
одинаковые характерные для нейтрино (антинейтрино) сечения ≈ 10⁻⁴³
см².
В качестве
источника антинейтрино снова использовались реакторные антинейтрино. Так как в
природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить на нейтронах,
входящих в состав атомного ядра. В 1946 г.
Б. Понтекорво
предложил
использовать для этой цели реакцию:

ν
+ ³⁷Cl → e⁻
+ ³⁷Ar (3)

Если процесс
(1) возможен, то под действием потока антинейтрино от реактора один из
нейтронов, входящих в состав ядра ³⁷Cl, должен превращаться в протон,
что приводит к
образованию радиоактивного изотопа ³⁷Ar с периодом полураспада 35.04
суток. Регистрируя радиоактивность изотопа, можно судить о возможности
протекания
реакции (1).
Для
регистрации процесса (3) необходимо было использовать большую массу мишени, так
как в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции (3) должно
мало. В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора
четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была
разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа
³⁷Ar из огромного объема мишени. Выделенный ³⁷Ar помещался
затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его
радиоактивности. Реакция (3) не была зарегистрирована. Для величины измеренного
сечения реакции (1) была получена лишь верхняя оценка, равная:

σ(n
+
_e
→ p + e⁻ )
< 0.25·10^-44 см²
<< 10^-43 cм²

Данное
значения почти в 45 раз меньше ожидаемой величины сечения реакции, которую
ожидали получили, если бы нейтрино и антинейтрино были тождественными частицами.
Таким
образом, эксперимент доказал, что нейтрино и антинейтрино являются разными
частицами. А.Р. Дэвис, продолжая свои эксперименты по детектированию нейтрино,
через 11 лет создал первый в мире детектор для солнечных нейтрино, используя для
детектирования ту же реакцию на аргоне.
Другим более
точным методом проверки тождественности нейтрино и антинейтрино является
исследование реакций:

ν_e
+ N → e⁺ + X (4)

ν_e
+ N → e⁻ + X
(5)

под действием
нейтрино, образующихся при распаде K⁺-мезонов:

K⁺ → ν_e+
e⁺ + X (6)

    В формулах
(4, 5) N обозначает нуклоны – протоны или нейтроны, а X —
совокупность всех остальных частиц, образующихся в реакциях. Если нейтрино и
антинейтрино являются тождественными частицами, то при облучении нуклонов должно
образовываться примерно одинаковое количество электронов и позитронов.

События, вызванные реакциями (4) и (5) регистрировались с помощью пузырьковой
камеры. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной
перегретой жидкостью, принцип действия которой основан на вскипании перегретой
жидкости вдоль трека заряженной частицы.

Идентифицировались случаи реакции с электроном и позитроном в конечном
состоянии. Оказалось, что при облучении пузырьковой камеры пучком нейтрино
образуются только электроны. Позитроны не наблюдались. С помощью этого метода
было показано, что перекрытие состояний <ν>_e|>_e составляет меньше десятых долей процента.

Рис. 6
Диаграмма Фейнмана для двойного безнейтринного бета-распада

Наиболее точным методом, с помощью которого можно установить тождественность
нейтрино и антинейтрино является наблюдение безнейтринного двойного
бета-распада:

(A,Z) → (A,Z+2) + e⁺ + e⁻

Нейтрино,
образовавшееся при бета-распаде одного из нейтронов ядра (A,Z) взаимодействует с
другим нейтроном образовавшегося ядра (A,Z+1). В результате такого процесса,
который возможен только в случае, если нейтрино и антинейтрино тождественны,
рождаются 2 электрона, а заряд ядра увеличивается на две единицы. Данный процесс
лежит за рамками Стандартной Модели.

Все попытки обнаружить безнейтринный двойной бета-распад пока окончились
безрезультатно, что дало ограничение на перекрытие состояний:

<ν_e>|_e>
< 10^-12.

      В настоящий момент готовится новый эксперимент — NEMO-3 (Neutrinoless Experiment with MOlybdenum) — по поиску
безнейтринного двойного бета-распада, о котором будет рассказано ниже, который
кроме того может дать ограничение на нижний порог массы электронного нейтрино.
    Подведем
итоги. Электронное нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с
позитроном, а электронное антинейтрино — в паре с электроном. При облучении
нуклонов в пучке нейтрино в конечном состоянии всегда наблюдаются электроны.
Если реакция происходит под действием антинейтрино, среди продуктов реакции
всегда присутствуют позитроны, и никогда не наблюдаются электроны.

Различие в свойствах нейтрино и антинейтрино можно описать, если ввести
квантовое число — электронный лептонный заряд L_e, приписав электрону
и электронному нейтрино значение L_e = +1, а их античастицам −
позитрону и электронному антинейтрино − L_e = -1 и постулируя закон
сохранения лептонного заряда (числа). Это было сделано в 1955 г. Из закона
сохранения лептонного числа следует, какие реакции с участием нейтрино возможны,
а какие запрещены.

Мюонное нейтрино

Мюонное
нейтрино было открыто в 1961 году в эксперименте на протонном синхротроне с
переменным градиентом AGS (Alternating Gradient
Synchrotron) в Брукхейвенской лаборатории, США. Это событие стало возможным
благодаря возможности получения пучков высокоэнергетичных нейтрино на
ускорителе.
После
экспериментов Райнеса и Коэна по наблюдению антинейтрино, образующихся при
β-распаде, существование этой частицы сомнения не вызывало. Однако были
обнаружены нейтрино, образующиеся и в других процессах, и, в частности, при
распаде π-мезонов.

π^± →
μ^± + ν_μ(_μ)

Поэтому возник
вопрос − тождественны ли нейтрино, образующееся при распаде π-мезонов, и
нейтрино, образующееся при β-распаде.
Были и
другие проблемы, связанные с нейтрино. Был предсказан ряд процессов, которые в
действительности не происходили. Типичный пример таких ненаблюдаемых процессов —
так называемый радиационный распад мюона, т.е. испускание мюоном электрона и
фотона:

μ⁻ → e⁻ + γ

В течение
долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же
запрещает мюону превращаться в электрон и фотон?
    Для
объяснения этого факта можно ввести новый закон сохранения некого заряда.
Например, мы знаем, что нуклоны — протоны и нейтроны — никогда не распадаются
только на «легкие частицы». Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так
называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда
не имеет.
    Сразу
возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон,
которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены
законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, «мюонного»
заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить,
что фотон — истинно нейтральная частица и не имеет никаких зарядов.
    Однако имеется один процесс — распад мюона, в котором мюон и
электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном
электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем
свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом
процессе. На этом основании первоначально считали, что μ⁺ -распад
идет по схеме:

μ⁺→ e⁺ +
ν +

Но такая схема трудно совместима с предположением о
существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон.
Ведь пара, по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и
фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не
сохраняется.

Тогда можно предположить, что имеются два сорта пар
нейтрино-антинейтрино: «мюонные» и «электронные». При этом они отличаются друг
от друга тем, что у «мюонных» нейтрино ν_μ (но не у «электронных» ν_e)
имеется мюонный заряд. В этом случае распад мюона может происходить по схеме:

μ⁺→ e⁺ +
ν_e +
_μ,

где происходит сохранение как мюонного, так и электронного заряда, поскольку
разница зарядов мюона и электрона, так сказать, компенсируется разницей зарядов
испускаемых нейтрино.
Все приведенные выше аргументы заставили в 1957 г.
М. А. Маркова, а также
параллельно ему
Ю. Швингера и
К. Нишиджима высказать
предположение о существовании двух типов нейтрино. Существование двух типов
нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с
электроном, отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном.

Рис. 7. Наиболее вероятные
каналы распада пиона

    Схема опыта по доказательству тождественности
или не тождественности этих 2 типов нейтрино похожа на
доказательство различия нейтрино и антинейтрино. В качестве
источника мюонных нейтрино можно использовать реакцию распада пиона.
В данном процессе вероятность распада по мюонному каналу в 1000 раз
больше, чем по электронному (почему так происходит – будет объяснено
позже).
    В опытах Л. Ледермана,
М. Шварца и
Дж. Стейнбергера в 1962
году было показано, что нейтрино, образующиеся при распаде π-мезона,
не является электронным. Нейтрино, образующиеся при распаде
π-мезона, были названы мюонными нейтрино, т.к. они всегда образуются
совместно с мюоном.
    В результате взаимодействия пучка протонов с энергией 15 ГэВ
с бериллиевой мишенью в большом количестве образуются вторичные π⁺
и π^—-мезоны. Детектирование π⁺ и π^—-мезонов
осуществлялось с помощью черенковских счетчиков. Мюонные
нейтрино образовывались в результате последующего распада π⁺
и π^—-мезонов:

π⁺
→ μ⁺
+ ν_μ,
π⁻ →
μ⁻ + _μ

Схема этого эксперимента представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема установки в эксперименте Л. Ледермана, М. Шварца и Дж.
Стейнбергера

На пролетном расстоянии l = 20 м
между черенковским счетчиком и железной защитной стеной происходил распад
π-мезонов. Все частицы, кроме нейтрино, поглощались в защитной стене.
Интенсивность фона адронов при этом уменьшалась примерно на 20 порядков.
Взаимодействия с нейтронами и протонами регистрировались в детекторе, состоящем
из набора искровых камер, каждая из которых состояла из 9 алюминиевых пластин
размером ~110 см х 110 см и толщиной 2.5 см. Зазор между пластинами составлял ~1
см. Между искровыми камерами располагались
сцинтилляционные счетчики, регистрирующие появление заряженной частицы в
детекторе. При появлении в детекторе заряженной частицы подавался импульс
высокого напряжения на искровые камеры. Тип заряженной частицы (мюон или
электрон) определялся по характеру искрового пробоя в искровых камерах. Общая
масса нейтринного детектора составляла ~10 тонн.

_μ + p
→ μ⁺
+ n ν_μ
+ n → e⁻
+ p

ν_μ
+ n → μ⁻
+ p(*) ν_μ
+ p → e⁺ +
n(**)

В результате этих экспериментов было показано, что при
взаимодействии нейтрино, образующихся при распаде π-мезонов, с протонами и
нейтронами, наблюдаются только мюоны (*), и не было обнаружено ни одного случая
образования электронов или позитронов (**). А если бы мюонные и электронные
нейтрино были тождественными частица, то реакции (*) и (**) происходили бы с
равной вероятностью.
В 1988 г. Л. Ледерману, М. Шварцу,
Дж. Стейнбергеру была присуждена Нобелевская премия за изобретение метода
нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов в результате
открытия мюонного нейтрино.

Рис. 9. М. Шварц, Дж. Стейнбергер, Л.М. Ледерман,

В 1964-67 гг. в аналогичных опытах было установлено, что
ν_μ при столкновении с ядрами рождает
μ⁻ и не рождает μ⁺, т. е.
мюонные нейтрино и антинейтрино также не тождественны. Все это позволило ввести
ещё одно сохраняющееся лептонное число L_μ.

Тау-нейтрино

    До 1975 года было известно лишь 2 типа нейтрино: электронное и мюонное. А в 1975
году на коллайдере SPEAR (Stanford Positron Electron
Accelerating Ring) в лаборатории SLAC (Стэнфордского
центра линейного ускорителя) (США) группой под руководством Мартина Перла был
открыт τ-лептон. Это привело к введению 3-го лептонного квантового числа
L_τ. За данное открытие
Мартин Перл получил Нобелевскую премию в 1995 году.

Эксперименты, проведенные в 1989 году в Стэнфорде и в CERN, показали, что могут
существовать только три вида нейтрино, представляющих полный набор частиц этого
класса: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.
    Однако
соответствующее таону тау-нейтрино впервые наблюдалось лишь в 2000 г. в
лаборатории имени Ферми (США) на детекторе DONUT (Direct
Observation of the NU Tau). Такая временная задержка объясняется большими
энергиями сталкивающихся частиц, необходимых для образования данного типа
нейтрино. Эксперимент был начат в 1997 году усилиями ученых из США, Японии,
Кореи и Греции на крупнейшем ускорителе Tevatron.
    Для
получения тау-нейтрино пучок протонов направлялся на вольфрамовую мишень. Одним
из продуктов взаимодействия протонов с ядрами вольфрама являются тау-лептоны,
которые вскоре претерпевают распад с образованием тау-нейтрино. Для отсечения
всех «побочных» частиц, образующихся в мишени, в опыте использовалось магнитное
поле и защитный блок. На рисунке изображена схема получения пучка
тау-нейтрино:

Рис. 10. Схема получения пучка
тау-нейтрино в эксперименте по обнаружению тау-нейтрино на детекторе DONUT

Для
детектирования использовались реакции, аналогичные реакциям детектирования
других типов нейтрино:

_τ + p →
τ⁺ + n, τ_τ + n →
τ⁻ + p

Нейтринный
детектор DONUT состоял из железных пластин, между которыми располагались
слои фотоэмульсии. В результате взаимодействия с железом образовывались
тау-лептоны, которые оставляли в фотоэмульсии след ~ 1 мм.
По словам
участника эксперимента Байрона Лундберга (Byron Lundberg), детектирование
тау-нейтрино можно сравнить поиском иголки в стоге сена: в общей сложности было
зарегистрировано шесть миллионов (6·10⁶)
потенциальных взаимодействий частиц. Проанализировав сигналы от различных
элементов 15-метрового детектора, ученые отобрали лишь около тысячи
событий-претендентов. И только 4 из них были признаны подлинными свидетельствами
существования тау-нейтрино.

Рис. 11. Принцип
детектирования тау-нейтрино в детекторе DONUT

Рис. 12 Общая схема детектора
DONUT

Лептонные числа нейтрино. 3 поколения нейтрино

После
открытия тау-нейтрино можно с уверенностью утверждать, что нейтрино и
соответствующие им заряженные лептоны образуют (вместе с кварками) 3 поколения
фундаментальных фермионов.

Каждому
поколению лептонов соответствует свое ненулевое лептонное квантовое число –
заряд: электронный, мюонный и таонный. Лептонный заряд частицы принят за (+1),
соответствующей ей античастицы – (-1).

Масса неуловимой частицы определена с невероятной точностью в ходе эксперимента

16 февраля 2022
19:14

Ольга Мурая

Монтаж электродов в основном спектрометре эксперимента KATRIN.

Фото Joachim Wolf/KIT.

Международная коллаборация исследователей вычислила, что масса неуловимой частицы под названием нейтрино составляет менее одного электронвольта. Этот эксперимент открывает новый рубеж не только для физики элементарных частиц, но и для космологических исследований.

С тех пор, как учёные подтвердили существование нейтринных осцилляций — превращений различных видов нейтрино друг в друга и в антинейтрино — стало понятно, что эти частицы имеют массу. Однако, какова же точная масса нейтрино, до сих пор остаётся неизвестным.

Международный эксперимент KATRIN, проводимый в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), позволил ограничить вероятную массу нейтрино до рекордно низкого значения — 0,8 электронвольта (эВ).

Напомним, что физики исчисляют массу элементарных частиц в единицах энергии. Массу и энергию связывает легендарная и всем известная формула E = mc².

Новый верхний предел для массы нейтрино — это, конечно, не сама точная масса. Но она тоже очень важна как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Кроме того, теперь мы точно знаем, что нейтрино, как минимум, в 500 тысяч раз легче электрона.

Загадочные нейтрино, пожалуй, интересуют учёных больше всех остальных элементарных частиц во Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их очень малая, но ненулевая масса указывает на новые физические явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Без измерения возможного разброса масс нейтрино наше понимание Вселенной так и останется неполным.

Коллаборация KATRIN, созданная в сотрудничестве с партнёрами из шести стран, поставила перед собой цель создать самую чувствительную в мире шкалу измерения электронного антинейтрино.

В эксперименте использовался бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода. Масса нейтрино определяется по распределению энергий электронов, высвобождаемых в процессе распада.

Это требует значительных технологических возможностей: на 70-метровом объекте находится самый мощный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии электронов, испускаемых при распаде, с беспрецедентной точностью.

С начала измерений в 2019 году качество научных данных, получаемых коллаборацией, постоянно улучшалось.

«KATRIN – это эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он работает как часы», – с энтузиазмом заявляет руководитель проекта Гвидо Дрекслин (Guido Drexlin) из KIT.

Углублённый анализ собранных данных требовал от международной аналитической группы слаженных усилий. Каждое влияние, каким бы слабым оно ни было, должно было быть исследовано в деталях.

Только с помощью трудоёмких и сложных вычислений учёные смогли исключить систематическую погрешность результата из-за процессов, влияющих на измерения.

Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование, основанное на исчезающе малой массе нейтрино, идеально совпадают: так исследователи смогли точно определить новый верхний предел массы нейтрино, равный 0,8 эВ.

Это первый раз, когда прямой эксперимент с массой нейтрино вошёл в космологически и физически важный диапазон масс ниже одного электронвольта, где, как предполагается, находится абсолютная шкала масс нейтрино.

Сопредседатели и координаторы анализа KATRIN очень оптимистично смотрят в будущее. Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. Чтобы реализовать весь потенциал этого уникального эксперимента, учёные постоянно разрабатывают и внедряют улучшения, которые позволяют ещё больше снизить влияние фоновых процессов.

Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы TRISTAN, которая позволит KATRIN с 2025 года приступить к поиску стерильных нейтрино с массами в килоэлектронвольтном диапазоне. Они, к слову, являются кандидатами на звание частиц загадочной тёмной материи.

Результаты новой работы были опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Ранее мы писали о том, как нейтрино впервые засекли на Большом адронном коллайдере, а ещё о том, что сразу два крупнейших нейтринных телескопа зафиксировали следы нейтрино, исходивших предположительно из одного источника.

Также мы рассказывали об эксперименте, который должен выяснить, является ли нейтрино своей собственной античастицей.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
физика
стандартная модель
эксперимент
нейтрино
элементарная частица
новая физика
новости
масса

Неуловимая частица. Зачем российские астрофизики ищут стерильные нейтрино

В горах Кабардино-Балкарии астрофизики начали эксперимент, призванный проверить существование стерильных нейтрино. Это, по сути, попытка найти новую физику. Объясняем, что нужно знать об исследовании

Нейтрино — это элементарные частицы, которые примечательны по нескольким причинам. Во-первых, они практически не взаимодействуют с остальным веществом: поток нейтрино свободно проходит всю Землю насквозь. Во-вторых, нейтрино бывают трех типов, и при этом они могут превращаться из нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. В-третьих, ряд теоретиков предполагает существование четвертого типа нейтрино, которое называют стерильным. Эксперимент российских ученых, начавшийся в обсерватории под кавказскими горами, — BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) — призван либо доказать наличие частиц четвертого типа, либо закрыть эту возможность.

Попытка найти новую физику

«Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий», — говорит Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.

Сегодня фундаментальных взаимодействий нам известно ровно четыре: электромагнитное, сильное (оно скрепляет частицы внутри ядер атомов и кварки внутри протонов с нейтронами), слабое (отвечающее за превращения кварков друг в друга) и гравитационное. 100 лет назад их было всего два: физики знали электромагнетизм и гравитацию. Открытие сильного и слабого взаимодействий позволило создать атомные электростанции, ядерное оружие, лучевую терапию рака и многое другое.

Теоретическое предсказание нейтрино, кстати, было ключевым событием на пути к открытию слабого взаимодействия. В 1930 году Вольфганг Паули придумал эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии в ядерных реакциях с бета-распадом. Конечная энергия частиц, получающихся в ходе распада, оказывалась меньше начальной. Следовательно, остаток приходится на долю какой-то еще — до сих пор неизвестной — частицы, которую экспериментаторы тогда не видели; через несколько лет после идеи Паули другой ученый, Энрико Ферми, разработал теорию, где вдобавок к электромагнитному и сильному (ядерному) взаимодействию появлялось еще одно, позже названное «слабым». Слабое взаимодействие могло превращать нейтрон в протон и порождать электрон и нейтрино.

На эту тему

Правоту Паули доказала через 26 лет группа американских физиков, проводя опыты с ядерным реактором и специальным детектором. Из того миллиона триллионов нейтрино, которые возникали в реакторе и пролетали через детектор каждую секунду, некоторые в какой-то момент должны были пролететь не между атомными ядрами, а удариться в одно из них. Столкновение должно было породить микроскопическую вспышку. Залив в свою установку более двух тонн специально подобранного раствора (смеси органических жидкостей) и обложив ее вокруг чувствительными приборами для регистрации сверхслабых вспышек света, ученые смогли насчитать за час всего три таких вспышки — они-то и стали первыми обнаружениями нейтрино.

Принципиально нейтринные обсерватории с тех пор не поменялись: эти едва уловимые частицы ловят в кромешном мраке. А чтобы защитить детекторы от всевозможных помех (других частиц, прилетающих из космоса и радиоактивных веществ в горных породах) спускаются как можно глубже и окружают ловушки для нейтрино дополнительными экранами.

Нейтрино ищут во льдах, шахтах и горных тоннелях

Американские физики разместили свой детектор IceCube (дословно «кубик льда») прямо в леднике на Южном полюсе. Итальянские исследователи оборудовали нейтринные обсерватории в ответвлениях автомобильных тоннелей под горами. Канадцы и японцы использовали старые шахты.

В России есть два больших нейтринных проекта: подводный нейтринный телескоп в Байкале — именно в, поскольку он погружен в воду, и Баксанская нейтринная обсерватория в тоннелях под горой Андырчи в Кабардино-Балкарии. В прошлом году научно-популярный сайт «Чердак» снял документальный фильм о том, что представляет из себя обсерватория в кавказских горах.

‘ Youtube/Чердак’

Все ухищрения, которые предпринимают физики, — уход поглубже в воду или толщу земли, строительство детектора побольше, расположение рядом с интенсивным источником нейтрино вроде большой АЭС — призваны сделать помехи поменьше, а «нейтринный улов» побольше. Начавшаяся в прошлом веке охота за нейтрино привела к открытию нейтрино трех типов (электронное, мюонное и тау), показала, что они иногда превращаются друг в друга (или осциллируют) и даже привела к обнаружению нейтрино, порождаемых вспышками сверхновых звезд.

Но обнаружить стерильное нейтрино, если оно действительно существует, никакой детектор напрямую не позволит: согласно теории, оно вовсе не взаимодействует ни с чем, кроме гравитационного поля. Иными словами, такие частицы пролетают сквозь любой материал и не сталкиваются даже с атомными ядрами. То есть они в буквальном смысле невидимы.

Казалось бы, доказательство существования принципиально неуловимой частицы звучит слишком похоже на поиски возможно отсутствующей черной кошки в темной комнате. Тем не менее она решаема. Потому что, в отличие от кошек, нейтрино осциллируют.

На эту тему

За стерильными нейтрино охотятся уже очень, очень долго. Последний громкий результат был получен на эксперименте MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же «Фермилаб»), где ловят нейтрино полтора десятка лет. 1 июня прошлого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино свой детектор и смотрели, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких масштабах 1977 подобных событий. Американцы насчитали на 461 больше. Но им пока так никто не не поверил: стоило ученым выложить свою статьи в открытый доступ, еще до отправки ее в журнал, авторитетнейший журнал Science выступил с призывом к экспериментаторам внимательно проверить свои данные — не набрали ли они просто 461 ошибку за 15 лет наблюдений? И c решением вопроса о существовании стерильных нейтрино наука решила подождать. Российские физики намерены искать, наоборот, не лишние, а недостающие события.

Подробно о том, как ученые будут проводить эксперимент, сколько он продлится, когда будут опубликованы результаты первых исследований, читайте в полной версии статьи на научно-популярном сайте «Чердак». Вдобавок советуем почитать о том, как Нобелевскую премию присудили за доказательство того, что у нейтрино есть масса.

Алексей Тимошенко

Исчезающие нейтрино, которые могут перевернуть фундаментальную физику

Детектор SNO+, строящийся в Садбери, Канада. Фото: Volker Steger/SPL

Итальянский физик Этторе Майорана бесследно исчез в 1938 году. Его любимые элементарные частицы, нейтрино, могут быть способны к подобному исчезновению. Несколько новых или модернизированных экспериментов по всему миру стремятся показать, что чрезвычайно редкий вид ядерного распада, который обычно производит два нейтрино, может иногда не давать ни одного.

Эти эксперименты получили меньше финансирования или внимания, чем усилия по обнаружению темной материи, но их влияние на физику может быть не менее значительным. Феномен исчезновения частиц предполагает, что нейтрино и антинейтрино, их аналоги из антиматерии, являются одним и тем же — возможность, которую Майорана впервые предположил ¹ в 1930-х годах.

Такие «майорановские нейтрино» могут быть ключом к пониманию того, почему Вселенная, по-видимому, содержит очень мало антиматерии (см. «Вопросы, на которые можно было бы ответить, если нейтрино являются майорановскими частицами»). Более того, они докажут, что в отличие от всех других известных частиц материи, таких как электроны или кварки, нейтрино не получают свою массу от бозона Хиггса.

Физики искали исчезновение нейтрино на протяжении десятилетий, но сейчас поиски резко активизировались, а это означает, что у них «действительно хорошие шансы» обнаружить его с помощью устройств следующего поколения, говорит Мишель Долински, физик-экспериментатор из Университет Дрекселя в Филадельфии, Пенсильвания.

Эксперименты, которые в настоящее время проводятся или строятся в Японии, Южной Корее, Италии, Канаде и Соединенных Штатах, на порядок более чувствительны, чем детекторы предыдущего поколения, и планируемые будущие детекторы улучшат это еще на два порядка (см. Эксперименты по всему миру»). В 2015 году консультативный комитет при Министерстве энергетики США определил такой проект в качестве приоритетного, и считается, что обязательство по финансированию эксперимента по обнаружению майорановских нейтрино, стоимость которого оценивается примерно в 250 миллионов долларов США, неминуемо.

Долгое ожидание

Нейтрино или антинейтрино образуются всякий раз, когда протон в нестабильном атомном ядре распадается на нейтрон или наоборот. Этот процесс, называемый β-распадом, также выбрасывает либо электрон, либо его античастицу — все вместе известные как β-частицы.

Мужчина стоит в резервуаре для воды эксперимента ЛЕГЕНДА-200. Криостат в центре удерживал мишень из германия-76 в холодном состоянии. Предоставлено: сотрудничество Кай Фройнд/GERDA

Нобелевский лауреат по физике Мария Гепперт-Майер предсказала ² в 1935 году, что некоторые атомные ядра могут распадаться, превращая два своих нейтрона в протоны (или наоборот) одновременно, испуская две β-частицы. Этот «двойной β-распад» также должен производить два нейтрино или антинейтрино. Расчет Гепперта-Майера оказался верным, но этот тип распада встречается крайне редко: один случай ³ , превращение теллура-128 в ксенон-128, имеет самый длинный известный период полураспада среди всех ядерных реакций, более чем 10 ²⁴ лет, или один миллион миллиардов миллиардов лет.

Через четыре года после статьи Гепперт-Майер физик Венделл Фурри (⁴) указал, что если бы Майорана был прав и нейтрино были бы их собственными античастицами, то два нейтрино, испускаемые дважды распадающимся ядром, должны время от времени аннигилировать друг с другом, так что ядро испускало бы только электроны.

Эксперименты по проверке существования майорановских нейтрино пытаются обнаружить этот безнейтринный двойной β-распад. В принципе, это обезоруживающе просто: возьмите кусок материала, который может подвергнуться процессу, и наблюдайте за ним столько, сколько сможете, чтобы увидеть, испускает ли он два электрона, несущих определенное количество энергии.

Но безнейтринная радиоактивность, если она существует, была бы самой медленной из известных форм ядерного распада: по крайней мере на два порядка более редкой, чем обычный двойной β-распад. Наилучший результат на сегодняшний день — полученный с помощью массива германиевых детекторов (GERDA) в подземных национальных лабораториях Гран-Сассо в центральной Италии — показал ⁵, что один из кандидатов на участие в этом процессе, германий-76, должен иметь период полураспада более 1,8 × 10 ²⁶ лет. Это примерно в 10 квадриллионов раз больше возраста Вселенной.

Когда эксперименты по редким радиоактивным распадам увеличивают свою мощность или просто накапливают много данных, обычно происходит одно из двух: либо они наконец наблюдают реакцию, которую искали, либо повышают порог того, как долго должен длиться период ее полураспада. быть. Таким образом, возможность установить ограничения на период полураспада дает меру чувствительности эксперимента.

Эксперименты, которые в настоящее время начинаются или находятся на стадии планирования, должны быть примерно в 100 раз эффективнее, чем GERDA, — ограничение периода полураспада до 10 ²⁸ лет и более.

Бессердечный

Одной из распространенных стратегий повышения чувствительности является снижение фонового шума, такого как радиоактивные примеси внутри или вокруг детекторов, которые могут давать ложные сигналы, похожие на пары электронов с майорановской сигнатурой нейтрино. Некоторые команды приложили огромные усилия, чтобы устранить их. «Если вы соберете немного грязи, это может быть одна часть на миллион радиоактивности; наши материалы, как правило, составляют одну часть на триллион», — говорит Долински, представитель Обсерватории обогащенного ксенона (EXO-200), недавно завершившегося майорановского нейтринного эксперимента на подземном экспериментальном заводе по изоляции отходов недалеко от Карлсбада, штат Нью-Мексико.

Другой эксперимент в Гран-Сассо — Криогенная подземная обсерватория редких явлений (CUORE, по-итальянски «сердце») — поддерживает температуру ядра своего детектора на уровне 0,01 Кельвина, чтобы помочь ему различать различные сигналы; он был описан как «самый холодный кубический метр во Вселенной». CUORE также защищает свою цель из теллура, используя 4 тонны древнеримского свинца, который был извлечен после кораблекрушения и имеет особенно низкую радиоактивность.

Из всех существующих экспериментов GERDA добилась наибольшего успеха в уменьшении фонового шума: за десятилетие работы или около того в ней практически не наблюдалось событий, имитирующих сигнатуру майорановских нейтрино.

Важно отметить, что германиевый детектор погружен в резервуар с жидким аргоном с температурой около 85 кельвинов, который играет тройную роль, говорит представитель Риккардо Бругнера, физик Падуанского университета в Италии. Он сохраняет германий холодным; он защищает его от внешнего излучения; и он действует как детектор, чтобы отсеять сигналы излучения, которые все еще могут проникать в ядро.

GERDA была демонтирована в прошлом году, так как ее команда объединила усилия с американской коллаборацией под названием MAJORANA для создания более крупного детектора: LEGEND-200, мишень которого будет сделана из 200 кг германия-76. В настоящее время он находится в стадии строительства в Гран-Сассо и должен начать сбор данных в ноябре. Увеличение размера цели увеличивает шансы увидеть распад. «Вам также нужна большая масса, иначе вам придется ждать веками», — говорит Бругнера.

В других экспериментах была достигнута такая же чувствительность, как у GERDA, за счет исключительного размера цели. В подземных лабораториях Японии и Канады физики перепрофилировали массивные детекторы, изначально предназначенные для улавливания нейтрино. Японский KamLAND-Zen 800 имеет около 750 кг ксенона-136, а канадский SNO+ будет иметь 1300 кг теллура-130. Оба эксперимента обнаруживают полосы света, создаваемые энергичными частицами, когда они пересекают резервуар, содержащий сотни тонн минерального масла.

В поисках финансирования

Еще один подход был впервые применен Долински EXO-200, в котором используется 200 кг жидкого ксенона-136. Ксенон действует как изотоп-кандидат на безнейтринный распад и как среда, в которой обнаруживаются электроны. Подобные детекторы на основе ксенона, настроенные на улавливание частиц из космоса, провели самые обширные поиски темной материи.

При стоимости менее 15 миллионов долларов EXO-200 «был построен незаметно, игнорируя большую часть бюрократии», — говорит Джорджио Гратта, физик из Стэнфордского университета в Калифорнии, который помог разработать его в начале 2000-х годов. Гратта надеется, что ожидаемое финансирование Министерства энергетики США пойдет на гораздо более амбициозную версию под названием nEXO, которая будет содержать 5 тонн ксенона и может стоить порядка 250 миллионов долларов.

Среди конкурентов nEXO за непредвиденную прибыль есть команда ЛЕГЕНДА-200, у которой есть предложение масштабироваться до эксперимента «ЛЕГЕНДА-1000» с 1 тонной германия-76.

Физики говорят, что в гонке очень важно иметь множество больших детекторов. Первый намек на безнейтринный распад проявится в виде небольшого скачка в данных, и другие эксперименты должны будут повторить результаты. «Первое, что нужно сделать, — это подтвердить это с помощью другого изотопа», — говорит представитель CUORE Карло Буччи, физик из Гран-Сассо.

Тем не менее, нет никакой гарантии, что любой из этих экспериментов в ближайшее время покажет, что нейтрино являются майорановскими частицами. Ведущие теоретические модели предсказывают, что должны, но модели частично основаны на догадках о массах нейтрино. Тем не менее, большинство физиков считают, что это вопрос «когда», а не «если». И тогда, по крайней мере, одно из дел об исчезновении Этторе Майораны будет раскрыто.

Вопросы, на которые можно было бы ответить, если бы нейтрино были майорановскими частицами

Если нейтрино одновременно являются материей и антиматерией, это может помочь ответить на ряд важных вопросов фундаментальной физики.

1. Куда делась вся антиматерия? Если нейтрино являются майорановскими частицами, это может помочь объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии. Большой взрыв должен был создать равное количество каждого из них. Но материя должна была иметь немного больше шансов выжить в реакциях между субатомными частицами в горячем первичном бульоне, что привело к нынешнему дисбалансу. Большой вопрос, почему. Обычный двойной β-распад производит два электрона и два антинейтрино, поэтому баланс частиц и античастиц не меняется. Но безнейтринный двойной β-распад произвел бы только два электрона, что привело бы к чистому увеличению числа частиц во Вселенной.

2. Откуда нейтрино берут свою массу — и сколько она у них есть? В стандартной модели физики элементарных частиц, сформулированной в 1970-х годах, кварки и электроны получили свои массы от бозона Хиггса, а нейтрино имели нулевую массу. Затем, в 1990-х годах, физики обнаружили, что у нейтрино действительно есть масса, хотя точно неизвестно, какая именно. Если нейтрино — майорановские частицы, то они получают свою массу благодаря другому механизму, а не бозону Хиггса. Более того, измерение частоты безнейтринного распада будет косвенно измерять массы антинейтрино (и, следовательно, нейтрино), потому что чем массивнее частицы, тем больше вероятность того, что они аннигилируют друг друга.

3. Почему нейтрино всегда вращаются одинаково? В отличие от таких частиц, как электрон, нейтрино всегда вращаются в одном направлении: их ось всегда совпадает с направлением их движения, а их вращение всегда «левостороннее» или против часовой стрелки. Антинейтрино наблюдались только при правом вращении. Когда физики сформулировали стандартную модель, они заложили эту асимметрию. Но если нейтрино — это майорановские частицы, это означает, что антинейтрино могут быть просто нейтрино, вращающимися в противоположном направлении.

Нейтрино: частица, опередившая свое время — Inquiro — Journal of Undergrad Research

Автор: Эмили Дженнингс

В школе и на любом уроке физики ученикам говорят, что ничто не движется быстрее скорости света. Однако это утверждение больше не может быть верным из-за нейтрино — частицы, которая может преодолевать измерения, недоступные свету. Концепция нейтрино важна для нашего понимания Вселенной, поскольку нейтрино можно использовать для определения скорости расширения Вселенной, а также ее конечной судьбы 9. 0007 1 .

Все слышали об электронах, протонах и нейтронах, но что такое нейтрино? Нейтрино — это экспоненциально малая частица, не имеющая электрического заряда. Чтобы представить удивительно малый размер нейтрино в перспективе, учтите, что считается, что нейтрино в миллион раз меньше, чем электроны, которые имеют массу 9,11 × 10 ^-31 кг ² . Нейтрино, вероятно, являются самыми распространенными частицами во Вселенной и могут быть более распространены, чем фотоны, основная единица света. Поскольку нейтрино настолько распространены, считается, что их масса, которая остается неизвестной, влияет на гравитацию Вселенной 9.0007 1 . Нейтрино могут проходить почти через все, и они делают это постоянно. Фактически, около 400 миллиардов нейтрино только от Солнца проходят через каждого человека на Земле каждую секунду. По словам физика Фрэнка Клоуза, «одно нейтрино может пролететь световой год свинца, ни во что не врезавшись» ¹ . Физики также подозревают, что нейтрино могут перемещаться в измерениях, запрещенных для освещения ² .

Если нейтрино настолько малы и проходят почти через все известные нам, а также через неизвестные нам потенциальные измерения, откуда мы знаем, что нейтрино существуют? Откуда берутся нейтрино? На эти вопросы лучше всего ответить, рассмотрев историю открытия нейтрино. В 1930 Вольфганг Паули (отец принципа запрета Паули) предложил существование нейтрино для объяснения сохранения энергии при бета-радиоактивном распаде. Бета-радиоактивный распад происходит, когда протоны превращаются в нейтроны, например, когда протоны сливаются вблизи центра Солнца. В 1930 году Паули предположил, что когда нейтроны образуются в результате слияния протонов, лишняя энергия уносится легкими электрически нейтральными частицами. В то время Паули не верил, что то, что он предложил, было правдой; он сказал: «Я сделал ужасную вещь, я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить» ³ .

Нейтрино испускаются при превращении протонов в нейтроны во время бета-радиоактивного распада ⁶ .

В 1933 году итальянский физик Энрико Ферми назвал загадочную частицу Паули «нейтрино» и создал количественную теорию взаимодействия слабых частиц с участием нейтрино. Примерно 20 лет спустя, в 1956 году, два американских физика, Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн, сообщили, что они обнаружили нейтрино, используя реактор деления в качестве источника нейтрино и хорошо экранированный сцинтилляционный детектор 9.0007 4 . Нейтрино, наконец, были обнаружены, но многое еще предстоит узнать об этих крошечных частицах. Следующая часть давней загадки нейтрино принадлежит Такааки Каджите и Артуру Макдональду, которые в прошлом году были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие нейтринных осцилляций ³ .

Один вопрос о нейтрино, который озадачил ученых, заключается в том, почему Земля получает так мало нейтрино. Ученые подсчитали теоретическое количество нейтрино, образующихся в результате термоядерных реакций, которые питают Солнце, но когда было измерено количество нейтрино, фактически получаемых Землей, почти две трети расчетного количества отсутствовали. 0007 3 . Идея осцилляции нейтрино была предложена в 1998 году Каджитой на нейтринном детекторе Супер-Камиоканде в Японии, чтобы объяснить расхождение в количестве нейтрино, измеренном на Земле.

В квантовой механике частицы проявляют свойства как точечных частиц, так и волн, и нейтрино не исключение. Когда три разных нейтрино (каждое с разной массой) путешествуют в пространстве с волнами разной частоты, считается, что каждое из них относится к разным типам нейтрино и, таким образом, к разным «ароматам». Эти три разных аромата представляют собой три разных типа нейтрино: мюонные нейтрино, электронные нейтрино и тау-нейтрино 9.0007 5 . Физики описывают волны как по амплитуде, так и по фазе, и когда несколько волн складываются вместе, их фазы меняются. Когда волны, образующие нейтрино, складываются, фазы не сокращаются до нуля. Поскольку аромат нейтрино зависит от его фазы, аромат может меняться со временем. Это явление называется нейтринной осцилляцией, метаморфозом нейтрино одного аромата в нейтрино другого аромата.

Каджита и Макдональд доказали, что осцилляции нейтрино не являются чисто теоретическими. Кадзита, работая на детекторе нейтрино Супер-Камиоканде недалеко от Токио, Япония, обнаружил, что детектор уловил несколько мюонных нейтрино, исходящих из атмосферы наверху, а некоторые — с другой стороны планеты после того, как частицы прошли через Землю. Поскольку Земля не представляет сколько-нибудь значительного препятствия для нейтрино, равное количество нейтрино должно было пройти через Землю и непосредственно от Солнца. Однако Кадзита обнаружил, что количество мюонных нейтрино, пришедших прямо в Супер-Камиоканде, было больше, чем тех, которые первыми прошли через земной шар. Единственный способ объяснить это наблюдение состоит в том, что мюонные нейтрино, путешествующие по Земле, превратились в нейтрино другого типа, в данном случае в тау-нейтрино. В нейтринной обсерватории Садбери в Онтарио, Канада, Макдональд столкнулся с похожей странностью. Лаборатория измеряла количество электронных нейтрино, исходящих непосредственно от Солнца, но захваченное количество электронных нейтрино составило лишь одну треть от ожидаемого числа. Когда лаборатории собрали воедино свои числа, они обнаружили, что теоретически рассчитанное количество нейтрино на самом деле достигло Земли, подтвердив, что нейтрино действительно трансформируются в другие типы нейтрино. Таким образом, нейтринные осцилляции реальны!

Это открытие и вывод привели к другому новаторскому заключению в физике элементарных частиц: Стандартная модель, теория фундаментальной организации и работы Вселенной, на самом деле еще не полностью разработана, потому что она требует, чтобы нейтрино были безмассовыми ^3,5 . Однако для того, чтобы осцилляции нейтрино были возможны, нейтрино должны иметь массу ³ ! Эти выводы поставили перед физиками элементарных частиц множество других вопросов. Какова масса нейтрино? Почему нейтрино такие легкие? Наконец, что эти выводы говорят о потенциальных измерениях, упомянутых ранее? Существование нейтрино с массой может означать, что эти другие измерения, запрещенные для света, реальны и ждут своего открытия. Если удастся продемонстрировать, что нейтрино может двигаться со скоростью, превышающей скорость света, срезав путь через одно из запрещенных измерений, тогда мы сможем распространить теорию относительности Эйнштейна на те измерения, куда свету вход воспрещен. Последствия такого применения могут радикально изменить наше понимание времени и пространства по отношению к жизни, какой мы ее знаем.

Клоуз, Ф. Физика элементарных частиц, очень краткое введение, Оксфорд: Издательство Оксфордского университета (2004).
Вейлер, Т. Нейтрино, Эйнштейн, время и парадокс: Том Вейлер на TEDxNashville [презентация], Нэшвилл, Теннесси (2012).
Хамелеоны космоса. Nobelprize.org. Получено с https://www.nobelprize.org/nobel_prize/physics/laureates/2015/popular-physicsprize2015.pdf (2015, 6 октября).
История нейтрино. Национальная ускорительная лаборатория Ферми. Получено с http://www-numi.fnal.gov/public/story.html(2015).
Что такое нейтрино? Нейтрино и нейтринные осцилляции. Официальный сайт Супер-Камиоканде. Получено с http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/neutrino-e.html (2015).
Чейссон, Э. и Макмиллан, С. Глава 16: Солнце: наша родительская звезда. В Astronomy Today (7-е изд.), Addison-Wesley (2010).

Частица-призрак: что такое нейтрино и может ли он быть ключом к современной физике?

Детекторная камера нейтринного эксперимента Супер-Камиоканде в Японии

Обсерватория Камиока/ICRR (Институт исследования космических лучей)/Токийский университет

Ученые держат в поле зрения одну из самых разыскиваемых астрофизиками частиц.

Джексон Райан

5 июля 2022 г. 2:00 утра по тихоокеанскому времени

Джексон Райан — отмеченный наградами научный редактор CNET. Раньше он был ученым, но понял, что ему не очень приятно сидеть весь день за лабораторным столом. Теперь у него лучшая работа в мире: он рассказывает истории о космосе, планете, изменении климата и людях, работающих на переднем крае человеческого знания. У него также много уродливых рождественских свитеров. Напишите ему.

Посмотреть полную биографию

7 минут чтения

Он прибыл из глубокого космоса, двигаясь со скоростью света, и врезался в Антарктиду. Глубоко подо льдом он встретил свой конец. Это был не астероид или инопланетный космический корабль, а частица, которая редко взаимодействует с материей, известная как нейтрино.

Хотя теория нейтрино возникла в 1930-х годах, а впервые обнаружена в 1950-х, нейтрино обладают таинственной аурой, и их часто называют «частицами-призраками». . О, «и это классное имя», по словам астрофизика Клэнси Джеймса из Университета Кертина в Западной Австралии.

В последние годы частицы-призраки попадают в заголовки газет по разным причинам, а не только потому, что у них крутое название. Это антарктическое столкновение было связано с тем, что черная дыра, например, разорвала звезду, а другие нейтрино, похоже, приходят от Солнца. В начале 2022 года физики смогли напрямую определить приблизительную массу нейтрино — открытие, которое может помочь раскрыть новую физику или нарушить правила Стандартной модели.

Представьте, если бы мы поймали призрака и могли бы сказать, что это призрак умершего человека. Это изменило бы все, что мы знаем о Вселенной. призрак 9Частица 0093 имеет большое значение по той же причине, и именно поэтому астрофизики пытаются их поймать. Они взволнованы, и вот почему вы тоже должны быть в восторге.

Обсерватория IceCube в Антарктиде.

Эрик Бейсер, IceCube/NSF

Что такое нейтрино?

Короче говоря, нейтрино — это фундаментальная субатомная частица. В Стандартной модели физики элементарных частиц он классифицируется как «лептон». Другие лептоны включают электроны, отрицательно заряженные частицы, из которых состоят атомы, а также протоны и нейтроны. Но смотрите, если мы во все это углубимся, мы очень глубоко погрузимся в физику элементарных частиц, и это взорвет наши мозги.

Нейтрино уникально тем, что имеет исчезающе малую массу и не имеет электрического заряда, и его можно найти по всей Вселенной. «Они создаются на солнце, в ядерных реакторах и при попадании высокоэнергетических космических лучей в атмосферу Земли», — говорит Эрик Трейн, астрофизик из Университета Монаша в Австралии. Они также созданы некоторыми из самых экстремальных и мощных объектов, которые мы знаем, такими как сверхмассивные черные дыры и взрывающиеся звезды, и они также были созданы в начале Вселенной: Большом Взрыве.

Подобно свету, они распространяются практически по прямой линии от того места, где они были созданы в космосе. Другие заряженные частицы находятся во власти магнитных полей, но нейтрино просто беспрепятственно летят сквозь космос; призрачная пуля, выпущенная из чудовищной космической пушки.

И пока вы читаете это, триллионы из них проносятся сквозь Землю и прямо сквозь вас.

Они врезаются в меня прямо сейчас?

Да, именно так. Каждую секунду каждого дня со дня вашего рождения нейтрино проходят через ваше тело. Вы просто этого не знаете, потому что они почти ни с чем не взаимодействуют. Они не разбиваются на атомы, из которых вы состоите, и поэтому вы даже не знаете, что они там. Точно так же, как призрачный дух проходит сквозь стену, нейтрино движется прямо сквозь нее. К счастью, экзорцизма не требуется.

Но какое мне дело до нейтрино?

Их изучение на протяжении десятилетий преподнесло ученым несколько сюрпризов. Согласно стандартной модели, нейтрино не должны иметь массы. Но они делают. «Тот факт, что они это делают, указывает нам на новую физику, которая поможет нам лучше понять вселенную», — отмечает Джеймс.

Загадка массы нейтрино впервые обнаружилась в 1960-х годах. Ученые предположили, что Солнце должно производить так называемые электронные нейтрино, особый тип субатомных частиц. Но это не так. Эта «проблема солнечных нейтрино» привела к прорывному открытию: нейтрино могут изменять вкус.

Подобно почти пустому пакету Mentos, частица-призрак имеет только три разных вкуса — электрон, мюон и тау — и они могут менять вкус по мере движения в пространстве (вкус — это фактическая терминология, я не исправляя эту аналогию). Например, электронное нейтрино может быть произведено Солнцем, а затем детектировано как мюонное нейтрино.

Такое изменение означает, что нейтрино действительно имеет массу. Физика говорит нам, что они не могли бы изменить вкус, если бы не имели массы. Сейчас исследовательские усилия сосредоточены на выяснении того, что такое масса.

В исследовании, опубликованном в престижном журнале Nature в феврале 2022 года, исследователи обнаружили, что масса нейтрино невероятно мала (но определенно существует). Физики смогли напрямую показать, используя детектор нейтрино в Германии, что максимальная масса нейтрино составляет около восьми десятых электрон-вольта (эВ). Это непостижимо крошечная масса, более чем в миллион раз «легче» электрона.

Так выглядит охотник за привидениями: основной спектрометр Тритиевого нейтринного эксперимента в Карлсруэ (KATRIN) маневрирует по дороге на юге Германии.

Майкл Латц/Getty

Подождите! Детектор нейтрино? Но разве они не… частицы-призраки? Как обнаружить нейтрино?

Как отмечает Джеймс, «чёртовы вещи в основном проходят прямо через любой детектор, который вы строите!»

Но есть несколько способов поймать призрака.

Одним из ключевых компонентов, которые вам нужны, является пространство. Физическое пространство, глубоко под землей. Ради отличных результатов ученые построили детекторы нейтрино под многометровым слоем льда в Антарктиде, а вскоре и на дне океана. Это помогает защитить данные от любых помех со стороны таких вещей, как космические лучи, которые могут бомбардировать чувствительные детекторы на поверхности. Детектор в Антарктиде, известный как IceCube, закопан на глубине около 8000 футов.

«Захват» призрачной частицы на самом деле может быть не лучшим термином для того, что делают эти детекторы. IceCube, например, не держит в плену нейтрино. Частицы в основном вылетают прямо через детектор. Но по пути некоторые из них очень (очень!) редко взаимодействуют с антарктическим льдом и производят поток вторичных частиц, испускающих разновидность синего света, известную как черенковское излучение. Ряд светочувствительных сферических модулей, расположенных вертикально, как бусины на нитке, улавливают свет, излучаемый этими частицами. Похожий детектор существует в Японии: Super-Kamiokande. В нем вместо льда используется резервуар с водой на 55 000 тонн, и он похоронен под горой Икено.

Оба способны определять направление, откуда пришло нейтрино, и его аромат. Таким образом, физики могут видеть признаки того, что частица-призрак была там, но не саму частицу-призрак. Это похоже на полтергейста — вы можете видеть, как он взаимодействует со стульями (бросая их в вас) и светом (угрожающе включая и выключая их), но вы не можете видеть сам фантом. Пугающий!

Известно, что Солнце производит нейтрино определенного типа

NASA/SDO/Spaceweather.com

Отлично. Итак, чему мы можем научиться у нейтрино?

Нейтрино — фундаментальная частица в нашей Вселенной, а это значит, что они каким-то образом лежат в основе всего, что существует. Узнать больше о нейтрино поможет раскрыть некоторые тайны физики.

«Физики элементарных частиц изучают нейтрино, чтобы найти ключи к физике за пределами Стандартной модели», — говорит Трейн. Он отмечает, что физики хотят понять, нарушают ли нейтрино некоторые фундаментальные законы Стандартной модели. «Это может пролить свет на то, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии», — говорит Трейн, отмечая, что эту проблему называют одной из величайших загадок в физике.

Мы также знаем, что их могут производить экстремальные космические объекты и явления. Например, известно, что взрывающиеся звезды или сверхновые звезды создают нейтрино и разбрасывают их по Вселенной. Как и сверхмассивные черные дыры, поглощающие газ, пыль и звезды.

«Обнаружение нейтрино говорит нам о том, что происходит с этими объектами», — говорит Джеймс.

Поскольку они почти не взаимодействуют с окружающей материей, мы могли бы использовать нейтрино, чтобы увидеть эти типы объектов и понять их в областях Вселенной, которые мы не можем изучать с другими электромагнитными длинами волн (такими как оптический свет, ультрафиолет и радио). Например, ученые могли бы заглянуть в сердце Млечного Пути, которое трудно наблюдать в других электромагнитных волнах, потому что нашему взгляду мешают газ и пыль.

Надежное обнаружение и отслеживание может вызвать революцию в астрономии, подобную той, которую мы сейчас наблюдаем с гравитационными волнами. По сути, нейтрино могут дать нам совершенно новый взгляд на космос, дополняя наш существующий набор телескопов и детекторов, чтобы показать, что происходит в пустоте.

А еще есть «стерильные» нейтрино, которые…

О боже. Что такое стерильные нейтрино?

Мне, наверное, следовало держать это в секрете, но раз уж вы здесь, стерильные нейтрино — это совершенно другой класс нейтрино. Они полностью теоретические, но ученые считают, что они, вероятно, существуют из-за особенности в физике, известной как хиральность. По сути, обычные нейтрино, о которых мы говорили, — это то, что некоторые называют «левосторонними». Итак, некоторые физики считают, что могут существовать «правые» нейтрино — стерильные нейтрино.

Они дали им это название, потому что они не взаимодействуют с другими частицами посредством слабого взаимодействия, как обычные нейтрино. Они взаимодействуют только через гравитацию. Эти типы нейтрино считаются кандидатами на роль темной материи, которая составляет более четверти Вселенной, но которую мы никогда не видели.

Это означает, что нейтрино также могут помочь ответить на еще одну сложную загадку физики: что такое темная материя? Есть много кандидатов на темную материю, теоретизированных физиками, и еще многое предстоит узнать — возможно, она вообще не связана с нейтрино!

Три разновидности нейтрино и теоретическое «стерильное» нейтрино.

Коллаборация IceCube

Круто. Что еще мне нужно знать о нейтрино?

Как однажды пела Дебора Конуэй: «Это только начало, но я уже ушла и потеряла рассудок».

Мы еще не рассмотрели некоторые из самых сногсшибательных теорий о нейтрино, таких как безнейтринный двойной бета-распад и представление о нейтрино как о майорановской частице.

Было предложено несколько новых нейтринных экспериментов, в том числе Giant Radio Array for Neutrino Detection, или GRAND, в котором будет установлено до 200 000 приемников.