Нейтрино частицы: Новый детектор для неуловимых потоков – Наука

Содержание

Новый детектор для неуловимых потоков – Наука – Коммерсантъ

Почему Вселенная состоит из вещества и в ней практически нет антивещества? Каким образом элементарные частицы нейтрино превращаются в частицы другого типа на лету без видимых взаимодействий с веществом (осциллируют)? Какой вклад вносят российские ученые из Института ядерных исследований РАН в работу международного эксперимента Т2К, расположенного в Японии? Ответы на эти вопросы может дать новый детектор SuperFGD, перевезенный в Японию из города Троицка этим летом. Статья о его устройстве и предназначении будет опубликована в начале октября в престижном международном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A.

Фото: The T2K Collaboration

Согласно общепринятой точки зрения среди ученых, занимающихся космологией, современная Вселенная появилась в результате Большого взрыва, во время которого частицы и античастицы родились в одинаковом количестве. Однако в сегодняшней Вселенной есть только вещество, а антивещество отсутствует. Почему в процессе эволюции Вселенной «выжило» немного вещества (барионы) и исчезло антивещество (антибарионы)?

Это одна из фундаментальных проблем, стоящих перед современной физикой элементарных частиц и космологией, решение которой пока не найдено. Вполне вероятно, что эта загадка может быть решена с помощью элементарной частицы нейтрино, если в нейтринных осцилляциях будет обнаружено нарушение инвариантности относительно трансформации нейтрино в антинейтрино и одновременного перехода из реального в зеркальный мир. Другими словами, это явление называется нарушением СР-инвариантности, где С означает переход от частицы (нейтрино) к античастице (антинейтрино), а Р — это пространственная инверсия или переход в зеркальный мир. Сохранение СР-инвариантности свидетельствует о том, что поведение нейтрино в реальном мире совпадает с поведением антинейтрино в зеркальном мире, а нарушение СР-инвариантности говорит нам, что эти частицы ведут себя по-разному в этих мирах (пространствах). Таким образом, вполне вероятно, что если СР нарушается в нейтринных осцилляциях, то эта крошечная частица микромира позволит нам разгадать тайну существования Вселенной.

Для чего создан новый детектор

Новый детектор, названный Super Fine-Grained Detector (SuperFGD), предназначен для регистрации нейтрино — загадочной элементарной частицы, которая отличается тем, что практически не взаимодействует с веществом, проходя насквозь толщу земной материи, человеческие тела и прочие предметы. Для того чтобы «поймать» нейтрино, используются различные детекторы. В данном случае это сегментированный сцинтилляционный детектор, состоящий из покрытых светоизолирующим слоем пластиковых кубиков.

Когда заряженная частица, возникающая в результате взаимодействия нейтрино в детекторе, проходит через один из 2 млн пластмассовых кубиков, из которых состоит детектор, происходит сцинтилляция, то есть возникает свет, который в этом кубике движется во всех направлениях, отражается от поверхности и захватывается специальными волокнами. По ним он направляется к фотосенсорам (детекторам, которые регистрируют этот сцинтилляционный свет). С каждого кубика сцинтилляционный сигнал снимается в трех направлениях: Х, Y, Z. Этот сигнал пропорционален энергии, которая была оставлена заряженной частицей (частицами) в этом кубике. И когда заряженная частица проходит через детектор — может быть, через 10, 100, 1000 кубиков, с каждого кубика физики регистрируют сигнал в трех направлениях, фиксируя геометрию трека, энергию и тип данной частицы.

Регистрация света со спектросмещающих волокон осуществляется при помощи кремниевых фотоумножителей. Для светоизоляции кубиков их поверхность подвергается химическому травлению, в результате чего образуется микропористый диффузный отражающий слой толщиной около 50 микрон.

В результате взаимодействия нейтрино с веществом детектора появляются заряженные и нейтральные частицы, которые регистрируются в детекторе. При этом в результате взаимодействий возникают протоны либо нейтроны (в зависимости от того, вступало во взаимодействие нейтрино или антинейтрино), а также мюоны, электроны (позитроны) и пионы. Энергия мюонов, электронов (позитронов) и пионов определяется в эксперименте Т2К энергией пучка нейтрино, пиковая энергия которого около 600 МэВ, и составляет в основном несколько сотен МэВ.

Детектор SuperFGD, который будет центральным элементом модернизированного комплекса ближних детекторов эксперимента Т2К в Японии, будет функционировать в магнитном поле, и трек движения каждой частицы отклоняется в нем в соответствии с зарядом частицы. Таким образом можно получить информацию о заряде частицы, ее импульсе. Дальше информация о треке восстанавливается, анализируется, и ученые получают полную информацию о типе частицы, ее направлении. О всех частицах, появившихся в детекторе в результате нейтринных взаимодействий или попавших в детектор, такая информация обрабатывается с помощью разработанных кодов и методов машинного обучения.

Самое главное, что дает новый детектор, который ученые привезли в Японию из России и к марту 2023 года соберут, протестируют и запустят в работу,— это существенное повышение точности осцилляционных измерений (измерений того, как нейтрино трех типов: электронного, мюонного и тау — переходят друг в друга на лету, не взаимодействуя при этом с веществом).

«Идея детектора SuperFGD появилась у нас в 2016 году. Ее предложили российские ученые из ИЯИ РАН в результате долгих обсуждений с швейцарскими и французскими коллегами. Все упиралось в технологию создания детектора: в Японии или Швейцарии изготовить его было бы слишком дорого. Мы в России совместно с ООО “Унипласт” (г. Владимир) выдвинули свою версию того, как это можно сделать. Первый вариант изготовления сцинтилляционных элементов (кубиков объемом 1 куб. см) из полистирола методом экструзии со сверлением отверстий оказался дорогим и труднореализуемым, учитывая большое количество элементов и высокие требования к геометрии кубиков. Примерно через год работы и тестов мы пришли к тому, что нужно делать эти кубики литьем под давлением с точностью геометрических размеров около 30–50 микрон. Это довольно сложная задача, поскольку полистирол — это пластик, а не сталь или алюминий, где можно получить точность в несколько микрон. Пластик — мягкий материал, но мы отработали технологию литья, покрытия отражателем и сверления отверстий. После этого в течение двух лет ООО “Унипласт” изготавливало эти кубики — по 100 тыс. штук в месяц. Около 10% изготовленных кубиков были забракованы. Несколько десятков тысяч кубиков мы передали коллегам в США, Франции, Японии, Швейцарии для тестов. В работе по созданию этого детектора в России участвуют сотрудники ИЯИ РАН, ОИЯИ и ФИАН. В создании детектора SuperFGD принимают участие наши коллеги из Швейцарии, Франции, США, Японии, Испании и других стран, всего около 120 человек»,— рассказывает главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Юрий Куденко.

Пик изготовления кубиков пришелся на 2020 год, пандемию. Но, несмотря на все ограничения, ООО «Унипласт» справилось с задачей. Работа по изготовлению кубиков была закончена в начале 2021 года.

Однако пандемия очень затормозила отправку детектора в Японию к месту установки: никто из россиян не мог туда поехать, так как Япония была полностью закрыта для визитов иностранцев. В результате детектор (конечно, в разобранном виде) и платформу для его сборки, которая была разработана и изготовлена в ОИЯИ, весом около 2 тонн отправили в Японию летом 2022 года.

Как сконструирован детектор

C начала разработки детектора SuperFGD прошло уже лет пять. Составляющие детектор 2 млн сцинтилляционных пластмассовых кубиков со стороной 1 см изготовлены в ООО «Унипласт» и доставлены в Японию. Там они будут в течение пяти-шести месяцев собираться российскими учеными в единый детектор, тестироваться и затем будут установлены как основная часть комплекса ближних нейтринных детекторов ND280 эксперимента Т2К (детектор расположен в 280 м от протонного ускорителя J-PARC в Японии в городе Токай, на восточном берегу Японии недалеко от Фукусимы).

Ускоритель направляет поток частиц на Запад, где через 280 м установлен ближний детектор. Здесь поток частиц взаимодействует с углеродом. Через 295 км в том же направлении, рядом с городом Камиока, в толще породы в бывшей соляной шахте, расположен огромный резервуар с водой, дальний (водный черенковский) детектор под названием «СуперКамиоканде». Дальний и ближний детекторы регистрируют мюонные и электронные нейтрино и антинейтрино, что позволяет изучают осцилляции этих частиц, рожденных на ускорителе.

Теперь составной частью ближнего детектора, ее основным элементом, станет установка SuperFGD, разработанная и изготовленная в России.

В эксперименте Т2К используется чистый квазимоноэнергетичный пучок мюонных нейтрино (антинейтрино), полученный на протонном ускорителе J-PARC. Пионы, рожденные при взаимодействии протонов с мишенью, распадаются на мюоны и мюонные нейтрино в тоннеле длиной 96 м. Энергия нейтрино и пролетная база в эксперименте Т2К выбраны таким образом, чтобы получить максимальную чувствительность к осцилляциям мюонных нейтрино и антинейтрино в области осцилляций атмосферных нейтрино. Комплекс ближних нейтринных детекторов измеряет направление, спектр и состав нейтринного пучка до возможных осцилляций. Размер, направление и форма черенковского конуса от заряженной частицы (мюон или электрон), возникшей в результате взаимодействия нейтрино в детекторе, позволяет идентифицировать тип зарегистрированного нейтрино — мюонное или электронное, измерять энергию и направление мюона или электрона и в конечном итоге восстанавливать энергию нейтрино.

Процесс осцилляций нейтрино заключается в том, что на пути 295 км от J-PARC до «СуперКамиоканде» часть мюонных нейтрино прекращается в тау-нейтрино и электронные нейтрино. Тау-нейтрино «СуперКамиоканде» не регистрирует, но детектирует появившиеся электронные нейтрино в «чистом» пучке мюонных нейтрино и одновременно регистрирует исчезновение («дефицит») мюонных нейтрино по сравнению с ожидаемым потоком и спектром, полученными на основе данных ближнего детектора ND280, предполагая отсутствие осцилляций. Сравнение измеренных потоков и спектров мюонных и электронных нейтрино с ожидаемыми без осцилляций позволяет получить осцилляционные параметры: углы смешивания и разности квадратов масс нейтрино.

Какие результаты теперь получат

Если говорить о результатах, которые планируется получить с помощью нового детектора, то сама по себе сборка и установка его на нейтринном канале в Японии — уже сложная задача. Прежде всего физики определят, соответствуют ли параметры собранного в полном объеме детектора тем, которые были получены в ходе тестов прототипов детектора на пучках заряженных частиц в CERN и нейронном пучке в американском Лос-Аламосе.

Первая физическая задача — на нейтринном пучке — это Т2К-регистрация мюонных нейтрино и антинейтрино, восстановление полной кинематики событий за счет измерений всех вторичных частиц в полном телесном угле. Следующий этап — регистрация протонов низких энергий и улучшение восстановления спектра мюонных нейтрино (антинейтрино) за счет регистрации как протонов, так и нейтронов низких энергий. Это позволит улучшить точность восстановления спектров мюонных нейтрино и антинейтрино и снизить погрешности осцилляционных измерений. Целью является уменьшение систематических погрешностей осцилляционных измерения до уровня 3%, что необходимо для открытия СР-нарушения в проекте «ГиперКамиоканде» в случае максимального проявления этого явления в нейтринных осцилляциях.

Детектор SuperFGD имеет 4-Пи-геометрию. В отличие от всех предыдущих детекторов, которые были установлены на Т2К, он регистрирует частицы, движущиеся во всех направлениях: вверх ли они идут, назад ли летят. Это большой шаг вперед по сравнению с предыдущей системой, которая не имела такой возможности. Таким образом, ученые получат полную информацию о нейтринных взаимодействиях. У нового детектора много электроники — например, для регистрации сигнала используются японские лавинные фотодиоды. Когда-то они производились и в России, у нас вообще и родилась идея таких фотосенсоров, но в последние десятилетия промышленность России в этом сегменте пришла в упадок. Эти оптические сигналы преобразуются в электронные сигналы. Фиксируются время и амплитуда регистрации, а также другие параметры. Затем они преобразуются во время прихода частицы, ее энергию, заряд, направление движения частицы и прочее. И после этого восстанавливается спектр нейтрино. В результате ученые получают огромный поток нейтринных событий, которые потом используются в осцилляционном анализе, измерении сечений, поиске массивных нейтрино и др.

Всего в месяц набирается несколько десятков событий регистрации электронных и мюонных нейтрино в дальнем детекторе (в ближнем детекторе — десятки тысяч событий). Сеанс работы протонного ускорителя J-PARC для эксперимента Т2К длится три-четыре месяца в году. В ближайшее время ближний детектор ND280 будет разбираться и модернизироваться, в ходе чего детектор SuperFGD войдет в строй и физики всей коллаборации Т2К да и всего мира получат новые данные.

Новый детектор SuperFGD обладает уникальной способностью регистрировать и восстанавливать нейтринные событий в формате 3D в полном телесном угле. SuperFGD позволяет намного точнее и эффективнее регистрировать протоны, нейтроны, что дает возможность лучше понять процессы, проходящие в ближнем детекторе, и существенно уменьшить систематические погрешности осцилляционных измерений. Это помогает продвинуться в решении ключевого для нейтринной физики вопроса о сохранении или нарушении комбинированной четности (СР-четности) в нейтринных осцилляциях, или, другими словами, в лептонном секторе Стандартной Модели. Вопрос о том, сохраняется ли эта четность или нарушается, является ключевым для всего эксперимента Т2К и важнейшим вопросом для эксперимента «ГиперКамиоканде», который сооружается сейчас в Японии (придет на смену «СуперКамиоканде» в 2027 году).

Полина Юдина

В Баксанской обсерватории на Кавказе нашли следы новой частицы — стерильного нейтрино

Странный разрыв между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами в крупном международном исследовательском проекте может быть признаком неуловимого стерильного нейтрино — частицы настолько незаметной, что ее можно обнаружить лишь по тишине, которую она оставляет после себя.

Результаты исследования опубликованы в двух научных журналах: Physical Review Letters и Physical Review C. Об открытии рассказывают Phys.org и ScienceAlert.

Недвусмысленное свидетельство существования гипотетического стерильного нейтрино могло бы предоставить физикам надежного кандидата на роль загадочной частицы темной материи. С другой стороны, все может просто сводиться к проблеме в теории, в изначальных расчетах, используемых для описания причудливого поведения нейтрино. Это также стало бы важным моментом в истории физики.

Несмотря на то, что нейтрино входят в число самых распространенных частиц во Вселенной, ее, как известно, трудно поймать. Когда почти нет массы, нет электрического заряда и можно дать знать о своем присутствии только благодаря слабому ядерному взаимодействию. Космические нейтрино уже были зафиксированы, в том числе российскими приборами. Теперь очередь за еще более странным стерильным нейтрино.

Первые смутные данные о стерильном нейтрино появились еще в 90-х, результаты нынешнего эксперимента подтверждают их. Присутствие стерильного нейтрино можно заметить только благодаря короткой паузе, которая происходит при взаимодействии известных частиц.

Баксанская нейтринная обсерватория находится в России в горах Кавказа, на глубине почти 2 км под поверхностью, что спасает суперчувствительные приборы от внешних воздействий.

Во время эксперимента ученые использовали 26 облученных дисков хрома-51 (синтетического радиоизотопа хрома и источника нейтрино) для облучения внутреннего и внешнего резервуара галлия (мягкого металла, который использовался в предыдущих экспериментах). Реакция между нейтрино от хрома-51 с галлием приводит к образованию изотопа германия-71. Измеренная скорость формирования германия-71 была на 20–24% ниже, чем ожидалось на основе теоретических расчетов. Это несоответствие — и есть та аномалия, которая указывает на существования стерильного нейтрино.

Однако это пока не означает то, что результат можно однозначно толковать как обнаружение частицы «темной материи». Возможно, что это просто ошибка в расчетах, еще один пробел в существующей Стандартной модели физики.

Даже если второе, то это само по себе неплохо. Уточнения базовой структуры ядерной физики могут иметь положительные последствия и привести к объяснениям остающихся больших загадок науки.

А если это действительно признак стерильного нейтрино, то ученые могли бы, наконец, получить доказательства того, что есть частица, которое существует в огромных количествах, но почти не оставляет следов — лишь гравитационную ямку в ткани пространства.

Физики еще сильнее приблизились к пониманию массы нейтрино

На Большом адронном коллайдере впервые засекли нейтрино

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

Камера обнаружения нейтрино 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 0027 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 должно 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/Гетти

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

Как отмечает Джеймс, «чёртовы штуки 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 что-то вроде полтергейста — вы можете видеть, как он взаимодействует со стульями (бросая их в вас) и светом (угрожающе включая и выключая их), но вы не видите самого призрака. 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 наиболее 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. Общая площадь массива рассчитана примерно на такую же площадь, как Великобритания. Ожидается, что первые 10 000 антенн будут размещены на Тибетском плато, недалеко от города Дуньхуан, в ближайшие несколько лет.

Хотя нам пока удалось обнаружить и проследить лишь несколько нейтрино, в следующем десятилетии нейтринная астрономия должна стать действительно популярной. Суть в том, что понимание нейтрино, их вкуса и массы откроет окно в фундаментальную природу нашей Вселенной.

И всегда здорово гоняться за призраками.

Первоначально опубликовано 17 апреля.

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 может больше не быть верным из-за нейтрино — частицы, которая может преодолевать измерения, недоступные свету. Концепция нейтрино важна для нашего понимания Вселенной, потому что нейтрино можно использовать для определения скорости расширения Вселенной, а также ее конечной судьбы 9.0125 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 90 125 -31 90 126 кг 90 125 2 90 126 . 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 9.0125 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 света 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 ядерный реактор в качестве источника нейтрино и хорошо экранированный сцинтилляционный детектор 9. 0125 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, которым в прошлом году была присуждена Нобелевская премия 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.0125 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 9.0125 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, поскольку 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.