Нейтрино что это: Нейтрино | это… Что такое Нейтрино? |

Содержание

Уникальное проявление нейтрино объяснили спустя почти 10 лет: почему это так важно

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

В 2013 году коллаборация IceCube сообщила об уникальном наблюдении. Его не могли объяснить почти 10 лет. Новое исследование все изменило. «Хайтек» ознакомился с результатами и рассказывает главное.

Читайте «Хайтек» в

Каждую секунду через тело человека проходит 100 триллионов нейтрино. Эти крошечные, почти безмассовые частицы преодолевают огромные расстояния в космосе, неся информацию о своих источниках.

Нейтрино — общее название нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов. В настоящее время известно три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы.

Нейтрино рождаются во многих процессах, например, в ходе термоядерных реакций в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Проблема в том, что эти частицы невероятно сложно обнаружить. Для этого требуется единственный в своем роде детектор, который может их засечь.

Где ищут нейтрино?

Строительство нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе официально завершили 18 декабря 2010 года. Ее разработали для поиска высокоэнергетических космических нейтрино. Сам детектор состоит из 5 160 оптических датчиков — цифровых оптических модулей (digital optical modules, DOM), — помещенных в кубический километр антарктического льда.

Как проявляется нейтрино?

Когда нейтрино взаимодействует с молекулой льда, образующиеся вторичные заряженные частицы излучают синий свет в результате процесса, известного излучение Черенкова. Затем свет проходит сквозь лед и может достигать некоторых DOM. В итоге исследователи реконструируют энергию и направление частицы. Этот процесс основан на знании оптических свойств льда. Однако один раз это проявление нейтрино сильно удивило ученых.

Черенковское излучение — это форма энергии, которую можно наблюдать в виде голубого свечения, вызываемого заряженными частицами, из которых состоят атомы (электроны и протоны), движущиеся в определенной среде со скоростью, превышающей скорость света.

Уникальное явление

В 2013 году сотрудники коллаборации IceCube наблюдали уникальное явление, когда наблюдаемая яркость источника света зависела от направления света. Эффект известен как оптическая анизотропия льда. До сих пор исследователи пытались описать анизотропию с помощью вариаций поглощения и рассеяния, вызванных примесями, но безуспешно.

Анизотропия — различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии. В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Cryosphere, сотрудники IceCube объяснили его. Оказалось, что он появился в результате двулучепреломляющих свойств удлиненных кристаллов льда, которые отклоняют свет в двух направлениях. Иными словами, без двойного лучепреломления свет исходит радиально от изотропного источника света, а при двойном — медленно отклоняется к оси ледяного «потока».

Иллюстрация, демонстрирующая недавно открытый оптический эффект: без двойного лучепреломления (вверху) свет исходит радиально от изотропного источника света. При двойном лучепреломлении (внизу) свет медленно отклоняется к оси ледяного потока.
Предоставлено: Джек Пайрин/IceCube Collaboration

Это открытие использовали, чтобы создать новую оптическую модель льда на основе двойного лучепреломления — SpiceBFR. Ее используют в моделировании детектора и она уже существенно улучшила интерпретацию световых паттернов, которые возникают в результате взаимодействия частиц во льду.

20 лет исследований

Оптическую модель льда, которую использует коллаборация IceCube, разрабатывали с первых дней предшествующего эксперимента AMANDA.

Эксперимент AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) — антарктический массив детекторов мюонов и нейтрино. По сути, это нейтринный телескоп, расположенный под Южнополярной станцией Амундсена-Скотта. В 2005 году, после девяти лет работы, AMANDA официально стала частью проекта-преемника, нейтринной обсерватории IceCube.

Более 20 лет ученые добавляли новые открытия к известному пониманию льда, включая исчезновение захваченных пузырьков воздуха на глубинах значительно выше детектора и то, что на глубинах ледяной щит Южного полюса содержит самый чистый лед на планете.

Чтобы улучшить предыдущие попытки описать анизотропию, сотрудники внимательно изучили этот эффект, обнаружив его корреляцию с глубинным развитием свойств кристаллов льда. Это навело ученых на мысль, что множество случайно подобранных мелких кристаллов, составляющих лед, играют роль в наблюдаемой анизотропии.

Что сделали ученые?

Для исследования физики запустили симуляции, которые смоделировали различные пути, по которым свет может проходить внутри детектора. Затем они сравнили смоделированные данные с большим набором данных калибровки, взятым из IceCube.

ru.freepik.com

Набор калибровочных данных IceCube содержит данные от 60 000 светодиодов, которыми оборудованы все DOM. Они, в свою очередь, излучают последовательные световые импульсы в лед, а затем используются для калибровки оптических свойств льда.

Что дальше и почему это важно?

Сравнение показателей помогло ученым сделать вывод о средней форме и размере кристаллов льда внутри IceCube. Это захватывающее новое открытие побуждает к созданию новых симуляций и адаптации текущих методов реконструкции для учета модели SpiceBFR.

Открытие не только поможет IceCube улучшить реконструированные взаимодействия нейтрино. Исследование имеет значение для области гляциологии в целом. Как отмечают авторы новой работы, свойства кристаллов льда изучают, в частности, для понимания механики течения льда. Затем эти данные можно использовать, чтобы спрогнозировать баланс массы Антарктики и, как следствие, повышения уровня моря в меняющемся климате.

Читать далее:

Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

Физики преодолели стандартный квантовый предел с помощью «квантовой жути»

_{На обложке: излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости исследовательского реактора ATR Национальной лаборатории Айдахо. Фото: Argonne National Laboratory}

Как ловят нейтрино на дне Байкала

Пока вы читаете эти строки, сквозь вас «пролетают»
миллиарды нейтрино. Некоторые из них родились в недрах Солнца,
другие образовались в атмосфере, третьи проделали невероятный
путь из самых отдаленных уголков Вселенной. Разумеется, вы ничего
не заметили, как и сами загадочные частицы. Ведь для нейтрино не
существует преград. У них нет электрического заряда, а их масса
невероятно мала. Поэтому нейтрино без всяких видимых последствий
пронзают все на своем пути: человеческие тела, звезды и планеты.
Почти сто лет назад существование нейтрино казалось невозможным.
А сегодня крупные нейтринные обсерватории объединяются в единую
сеть, чтобы разгадать загадки неуловимой частицы. Как физики ХХ
века спасали законы сохранения энергии и импульса? Почему
нейтринные обсерватории строят во льдах Антарктиды, на дне
Байкала и в Средиземном море? Рассказывает Дмитрий
Наумов.

Дмитрий Вадимович Наумов — заместитель
директора по научной работе лаборатории ядерных проблем
Объединенного института ядерных исследований, доктор
физико-математических наук, руководитель Нейтринной Программы
ОИЯИ.

— Нейтрино называют самой загадочной частицей.
Почему?

— Нейтрино появилось буквально на кончике пера. Эту частицу
придумал австрийский теоретик Вольфганг Паули еще в 1930 году в
отчаянной попытке спасти законы сохранения энергии и импульса.
Напомню, что не все атомные ядра стабильны. Некоторые
распадаются. Известны три вида радиоактивных распадов — альфа,
бета и гамма. Сегодня мы понимаем, что они вызваны тремя
фундаментальными взаимодействиями — электромагнитным,
слабым и сильным соответственно. В бета-распадах ядро меняет
заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения
закона сохранения энергии и импульса, энергия и импульс
начального распада должны в точности равняться сумме энергий и
импульсов всех продуктов распада. Однако в экспериментах с
бета-распадами было обнаружено (кстати далеко не сразу это
признали), что это не так. У электронов были почти любые энергии
между нулем и некоторой максимальной величиной. При этом, в
случае электромагнитного и сильного взаимодействия законы
сохранения энергии и импульса точно выполнялись. А в
бета-распадах возникала такая странная проблема.

Это стало настоящей проблемой для физиков, решение которой
растянулось не на одно десятилетие. Выдающийся ученый Нильс Бор
даже предложил отказаться от законов сохранения на некотором
уровне описания природы. Вольфгангу Паули эта мысль показалась
совсем уж дикой. И очень хорошо! Он выдвинул идею, что в процессе
деления ядра появляется и улетает еще одна частица. Она
электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы
попросту не могут ее зафиксировать. Кроме того, она должна была
очень слабо взаимодействовать, иначе все равно застряла бы в
наших детекторах, и ее следы были бы найдены. Сегодня эта мысль
кажется простой и понятной, но в 30-е годы ХХ века она была
поистине революционной.

Сам Паули понимал, что идея подвергнется критике, и считал, что
существование такой частицы никто не сможет подтвердить. Он даже
не осмелился изложить свою идею на конференции вслух.
Ученый написал ее участникам знаменитое сегодня письмо,
начинающееся словами “Дорогие радиоактивные дамы и
господа!” В письме была изложена его гипотеза и приведены
извинения, что сам он участвовать в работе конференции не
может, т. к. должен быть на балу в Цюрихе.

Изначально, Паули назвал свою неуловимую частицу нейтроном.
Сегодня мы знаем, что нейтрон — это достаточно тяжелая частица,
которая участвует в сильном взаимодействии, т.е. совершенно не
подходит под описание. Дело в том, что на момент написания
письма нейтрон еще не открыли. Только в 1932 году британец Джеймс
Чедвик смог обнаружить нейтрон, чье существование предсказали
советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Да и
сам Чедвик твердо верил в то, что в ядре есть и что-то еще кроме
протонов. Слово нейтрино (по-итальянски «маленький нейтрон»)
предложил итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую
количественную теорию бета-распада. В ней ученый описал
взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и
нейтрино.

С этого момента теоретики стали активно исследовать нейтрино,
определяя вероятность его взаимодействия. Оказалось, что
взаимодействует эта частица так слабо, что зарегистрировать ее
почти невозможно. Например, чтобы поймать половину всех нейтрино,
излучаемых Солнцем, надо залить свинцом все пространство от нас
до Альфа-Центавра. Поэтому, физики долгое время считали нейтрино
частицей-призраком. Многие соглашались с тем, что она существует,
но не знали, как с ней работать.

— По причине того, что она мало с чем
взаимодействует.

— Точно.

— Паули даже поспорил на шампанское, что частицу никогда
не откроют.

— Да.

— Но в итоге ошибся.

— На самом деле, это было очень продуманное пари. Посудите сами:
если он его проигрывает (сейчас-то мы знаем, что он проиграл),
его имя навсегда вписывается в историю физики, поэтому стоимость
ящика шампанского — мелочь, по сравнению с таким достижением. При
этом, если бы он выиграл, то получил бы бесплатно шампанское. То
есть при любом исходе он оказывался в выигрыше. Кстати сказать,
когда Паули получил телеграмму от будущего лауреата Нобелевской
премии Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (который, к сожалению,
не дожил до премии), он тут же собрал всех друзей теоретиков, и
они это шампанское распили, а экспериментаторам ничего и не
досталось.

Детали фотоумножителя

Фото: Николай Мохначев / Научная Россия

— Нобелевская премия досталась.

— Да, но к сожалению, не всем. Совет всем читателям: надо быть не
только умным, но еще и здоровым, чтобы дожить до своей
Нобелевской премии.

— Поучительная история. Что известно о сортах нейтрино
сегодня? Почему физики называют их ароматами?

— Надо сказать, что физики — часто люди с юмором, они любят
давать какие-нибудь интересные и забавные названия. Поэтому у
нейтрино есть ароматы, которые, конечно, никакого отношения к
запаху не имеют. А у кварков есть цвета, не имеющие никакого
отношения к цветам.

Вернемся к сортам нейтрино. На сегодняшний день выделяют три
сорта или аромата нейтрино. Откуда взялись ароматы? Начну с того,
что существуют три заряженных лептона — электрон, мюон и
тау-лептон. Они взаимодействуют очень похожим образом, только
мюон тяжелее электрона почти в 200 раз, а тау-лептон тяжелее
мюона почти в 17 раз. Как оказалось, нейтрино тоже существует три
разных вида. В слабых взаимодействиях нейтрино всегда
рождается вместе с каким-то заряженным лептоном того же сорта или
аромата, если говорить по-научному. Например, вместе с
электроном рождается электронное анти-нейтрино, с мюоном —
мюонное, с тау-лептоном — тау-нейтрино. То, что этих ароматов
ровно три было надежно установлено экспериментально из
анализа вероятности распада другой частицы под названием Z-бозон
— нейтральной частицы и одного из переносчиков слабого
взаимодействия. Z-бозон нестабилен и примерно в 90 раз тяжелее
протона. Z-бозон распадается на множество разных частиц, в том
числе на пару нейтрино и антинейтрино. Соответствующая
вероятность легко оценивается в теории. Понятно, что трем типам
или ароматам нейтрино суммарно отвечает в три раза большая
вероятность распада Z-бозона на пару нейтрино-антинейтрино.
Поэтому, сравнение с экспериментом позволило установить, что
число типов нейтрино равно трем.

— А как же стерильные нейтрино?

— Приятно, что вы так прекрасно подготовились к нашему разговору!
Действительно, начиная с 2012 года, физики столкнулись с новой
загадкой. Известно, что антинейтрино в изобилии рождаются в
ядерных реакторах. Оказалось, что при измерениях обнаруживается
дефицит, который невозможно объяснить осцилляциями нейтрино —
важнейшим эффектом, предсказанным Бруно Понтекорво, работавшим в
Дубне, и за подтверждение которого Такааки Кадзита и Артур
Макдональд получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году.
Реакторный дефицит невозможно объяснить осцилляциями трех
нейтрино. А можно ли четырех? Если бы нейтрино было четыре типа,
то можно. Но Z-бозон надежно установил, что типов нейтрино ровно
три, а не четыре! Что же делать? Тогда возникла очень хитрая
гипотеза, что кроме трех перечисленных поколений нейтрино
существует еще одно — стерильное нейтрино. Если известные
нам нейтрино взаимодействуют слабо, то стерильное не
взаимодействует вообще! Поэтому, стерильные нейтрино не
противоречат наблюдаемой вероятности распада Z-бозона. При
этом, в процессе осцилляций известных нам нейтрино часть
времени они проводят в стерильном состоянии. Если в этом
состоянии они попадают в детектор, то будет наблюдаться дефицит
взаимодействий нейтрино. Весьма оригинальная идея! И у нее
довольно глубокие следствия. В частности, такие нейтрино могли бы
проявляться в космологии. Но на сегодняшний день эта гипотеза не
очень-то согласуется с экспериментом. Несмотря на то, что идея
красивая, возможно, что в природе она не реализуется. По крайней
мере, таким образом.

— Тогда откуда дефицит?

— Скорее всего, использовалась не совсем правильная ядерная
модель, предсказывающая потоки нейтрино. Это не очень-то простая
задача, и нейтрино в реакторе рождается сотнями и даже тысячами
всевозможных способов.

— Как устроены нейтринные обсерватории. Как можно уловить
неуловимое?

— Чтобы уловить неуловимое, необходимо произвести что-то, что уже
можно уловить. Само по себе нейтрино увидеть невозможно. Поэтому
нужны другие частицы, которые оставят электрические сигналы в
детекторе. Проще говоря, нейтрино прилетает в детектор и рождает
частицу, которую можно зарегистрировать. Это могут быть мюоны,
протоны и другие заряженные или нейтральные частицы.

Если говорить про астрофизические нейтрино, для анализа которых и
создан эксперимент Baikal-GVD, то частицы, которые рождаются
после взаимодействия с астрофизическим нейтрино, светят
черенковским светом. Этот черенковский свет можно увидеть при
помощи фотоумножителей.

— То есть самого нейтрино мы увидеть никак не можем.
Скорее, остаточные явления.

— Да.

— А почему многие нейтринные обсерватории строятся либо
глубоко под землей, либо под водой?

— Само сочетание «нейтринный телескоп» уже звучит достаточно
забавно. Давайте разбираться. Чтобы зарегистрировать нейтрино,
нужен большой объем вещества. Потоки нейтрино сверхвысоких
энергий, которые рождаются в далеком космосе, теряют свою
интенсивность с ростом расстояния до их источника. Значит
число взаимодействий нейтрино на Земле тоже уменьшается. В
лабораторных условиях обеспечить настолько большой объем вещества
проблематично. Но у нас есть отличная возможность использовать
естественные водоемы — моря, океаны, озера или лед, как на Южном
полюсе. Для регистрации астрофизических нейтрино нужно
использовать примерно 1 кубический километр вещества или 1
миллиард тонн.

Нейтрино прилетает в байкальскую воду, взаимодействует с
веществом, рождая мюон, электрон или тау-лептон, в зависимости от
аромата нейтрино. Частица движется по прямой траектории, заданной
направлением прилета нейтрино. Если частица имеет ненулевой
электрический заряд и движется быстрее света в этой среде, то
возникает голубоватое свечение, открытое в середине прошлого века
Сергеем Ивановичем Вавиловым и Павлом Алексеевичем Черенковым.
Фотоумножители как раз и регистрируют это свечение.

Оптические модули телескопа

Фото: Николай Мохначев / Научная Россия

Но и здесь не всё так просто. К нам из космоса прилетает
множество космических лучей — элементарных частиц и ядер атомов,
движущихся с высокими энергиями в космическом пространстве.
Сталкиваясь с земной атмосферой, они порождают «зоопарк» частиц,
среди которых могут быть и мюоны. Тем самым детектор может
зарегистрировать не только мюоны от нейтрино, но и те, что
появились в атмосфере. Именно поэтому детекторы помещаются как
можно глубже под воду, чтобы интенсивность атмосферных мюонов
была меньше.

— А есть ли еще способы, как можно увидеть
нейтрино?

— Да, есть и другие способы регистрации нейтрино. Первый связан с
реакторными антинейтрино. Любой реактор испускает большое
количество антинейтрино: каждую секунду на 1 гигаватт термальной
мощности реактора излучается примерно
10²⁰ антинейтрино. При этом, у каждого реактора
средняя мощность порядка 3-х гигаватт. Чтобы зарегистрировать
данные типы нейтрино, можно использовать сцинтилляционные
детекторы.

Сцинтилляторы — это особые вещества, обладающие способностью
излучать свет при поглощении ионизирующего излучения. Возбуждение
происходит за счет ионизации, а не за счет механического
воздействия. При этом, высвечивание света происходит быстро, в
форме почти мгновенной для глаза вспышки. Интересно, что обычно
сцинтиллятор светится в диапазоне длин волн, в которых
фотоумножители не чувствительны. Поэтому в сцинтиллятор
добавляются специальные химические примеси, которые смещают
спектр излучения в область чувствительности фотоумножителей. К
примеру, Объединенный институт ядерных исследований принимает
активное участие в коллаборации JUNO. Экспериментальный зал
установки JUNO будет располагаться в 700 метрах под землей.
Детектор, наполненный 20 тысячами тонн жидкого сцинтиллятора,
будет просматриваться 20 тысячами больших фотоумножителей
(диаметром около полуметра) и еще 20 тысячами маленьких
(диаметром чуть больше 7.5 см) для обнаружения сцинтилляционного
света, который образуется при столкновении нейтрино с атомами
водорода. По размерам установка сопоставима с 14-этажным (только
сферическим) домом.

Второй способ регистрации связан с так называемыми солнечными
нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного
синтеза. Солнечный нейтринный поток напрямую связан с мощностью
Солнца, а значит, его можно вычислить теоретически. Теоретики
вычислили, экспериментаторы измерили, но результаты расходились
почти в три раза. Последующие эксперименты подтвердили это
расхождение. Так возникла загадка солнечных нейтрино. Решение
загадки дал эксперимент SNO. В нем использовалась так называемая
тяжелая вода, содержащая дейтерий. Это позволило регистрировать
как общий поток всех ароматов солнечных нейтрино, так и отдельно
компоненту электронных нейтрино.

— Поговорим подробнее о Байкальском нейтринном
телескопе. Каковы его ключевые задачи?

— Сама идея регистрации нейтрино в естественных водоемах
принадлежит советскому физику Моисею Александровичу Маркову.
Вместе с академиком Александром Евгеньевичем Чудаковым он
предложил тогда еще молодому физику Григорию Владимировичу
Домогацкому подумать над созданием детектора на Байкале. После
этого в Институте ядерных исследований РАН появилась лаборатория
нейтринной астрофизики высоких энергий, с которой началась
история Байкальского нейтринного телескопа.

Домогацкий, Чудаков и Марков были пионерами. И первое время много
сил и энергии уходило не на нейтрино как таковое, а на более
простые вещи: изучение свойств байкальской воды, подбор и
создание глубоководных разъемов, машин для резки льда,
прокладывания кабеля, создание сфер для фотоумножителей и так
далее. Миллион всяких трудностей, с которыми научное сообщество в
их лице столкнулось впервые.

Но все проблемы были решены, в том числе благодаря характеру
Григория Владимировича, которого все знают, как методичного,
спокойного, настойчивого человека. И начиная с 90-х годов
началась постепенная установка приборов на Байкале. А спустя
несколько лет были получены пионерские экспериментальные
результаты.

В это же время американские физики строили детектор на Южном
полюсе. Поистине, героический труд, поскольку строить такой
детектор во льду гораздо сложнее и дороже, как минимум раз в
двадцать.

Другой эксперимент строили европейцы в Средиземном море —
ANTARES, в рамках которого ученые развивали технологию
детектирования в морских условиях.

Эти три проекта и задавали уровень исследований в мире и,
конечно, конкурировали друг с другом.

К началу 2000-х годов американские коллеги серьезно вырвались
вперед, и стало ясно, что байкальский эксперимент безнадежно
отстал. Вслед за первой установкой ученые из США начали
строительство нового телескопа кубокилометрового масштаба —
IceCube, который принес важнейшее открытие: астрофизические
нейтрино, которые все искали, наконец, были зарегистрированы. Это
стало революцией и рождением новой науки — нейтринной астрономии.

Между тем, телескоп во льду менее точен в определении направления
нейтрино. Тогда участники байкальской коллаборации предложили
создать новую версию Байкальского нейтринного телескопа размером
в 1 кубический километр, используя важнейшие свойства байкальской
воды.

Дело в том, что в байкальской воде свет почти не рассеивается. А
это значит, что установка обеспечит высокую точность
восстановления направления нейтрино. И с 2014 года началась
активная работа по строительству нового телескопа на Байкале. Уже
в 2015-2016 годах был введен первый кластер под названием
“Дубна”.

Среди главных задач телескопа: зарегистрировать нейтрино
сверхвысоких энергий — в миллиард раз больше, чем энергии,
которые рождаются в Солнце. Научное сообщество сейчас активно
ищет механизм, который приводит к рождению нейтрино таких
огромных энергий. Согласно одной из гипотез, ответ нужно искать в
галактиках, а точнее в их центрах, где расположены гигантские
черные дыры.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центре практически всех
спиральных галактик. Масса таких черных дыр в миллионы или даже в
миллиарды раз превосходит массу Солнца. Когда такая черная дыра
поглощает вещество из звезд вокруг, то формируется аккреционный
диск из вещества, которое затем постепенно поглощается дырой.
Некоторые из черных дыр, после поглощения звезды, помимо
образования диска, выпускают в космос релятивистские струи или
джеты, которые могут распространяться в космическое пространство
на несколько миллионов световых лет. По сути, джеты — это
естественные ускорители частиц. Возможно, именно здесь рождаются
нейтрино сверхвысоких энергий.

— Станет ли Байкальский нейтринный
телескоп частью мировой системы?

— Конечно, да. Каждый телескоп по отдельности решает свои задачи,
но вместе они могут дать гораздо больше. К тому же каждый из них
располагается в разных частях света, что позволяет объединять
телескопы для триангуляции — единый инструмент для определения
направлений.

— Все это напоминает поиск бозона Хиггса, когда все
научное сообщество пыталось отыскать эту частицу. И в итоге ее
обнаружили. Когда мы все-таки сможем разгадать все загадки самой
загадочной частицы — нейтрино?

— Исследования активно ведутся. Уверен, что с теми нейтринными
телескопами, которые существуют сегодня, задачи будут решены в
ближайшие 5-7 лет.

Мы не надеемся на удачу. Научное сообщество точно знает, что
необходимо сделать и за какой промежуток времени, чтобы получить
однозначный ответ. Думаю, что концу 2020-х годов большинство
загадок нейтрино будет уже решено. Что не исключает, конечно, что
появятся новые вопросы, о которых мы даже не догадываемся.

Что такое нейтрино? | Космос

Нейтрино — одни из самых загадочных частиц в природе.
(Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library)

Нейтрино — это крошечные субатомные частицы, часто называемые «частицами-призраками», потому что они практически не взаимодействуют ни с чем другим.

Нейтрино, однако, являются наиболее распространенными частицами во вселенной . Хотите верьте, хотите нет, но примерно 100 триллионов нейтрино проходят через ваше тело совершенно безвредно каждую секунду (откроется в новой вкладке)!

Их склонность не очень часто взаимодействовать с другими частицами делает обнаружение нейтрино очень трудным, но это не означает, что они никогда не взаимодействуют — вероятность того, что любое данное нейтрино будет взаимодействовать с другой частицей, просто очень мала.

Несмотря на эти небольшие шансы, тот факт, что существует так много нейтрино, означает, что статистически некоторые из них взаимодействуют. 21 нейтрино, вероятность того, что любой данный нейтрино взаимодействует с вами, составляет около 9.24).

Связанный: 10 космических тайн, которые может разгадать Большой адронный коллайдер

Научный журналист

Кейт Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета. Он является автором книги «Парадокс контакта: вызов нашим предположениям в поисках внеземного разума» (Bloomsbury Sigma, 2020) и написал статьи по астрономии, космосу, физике и астробиологии для множества журналов и веб-сайтов.

Нейтрино играют решающую роль в стандартной модели физики элементарных частиц, в звездной физике и черных дырах, и даже в космологии и природе Большого взрыва.

На генеалогическом древе частиц, называемом Стандартной моделью, нейтрино принадлежат к семейству частиц, известных как лептоны. Существует три основных лептона, а именно электронов , мюонов и тау-частиц, и каждому из них соответствует нейтрино и антинейтрино.

Что же это за «частицы-призраки»?

Нейтрино не имеют заряда; они нейтральны, как следует из их названия. И хотя массу нейтрино еще предстоит точно измерить, мы знаем, что она должна быть очень малой . В эксперименте KATRIN , эксперименте с тритиевыми нейтрино в Карлсруэ в Германии, ученые смогли измерить верхний предел массы нейтрино , равный 0,8 электронвольт, или эВ. (Электронвольт — это количество кинетической энергии, приобретаемой электроном, когда он ускоряется за счет разности потенциалов в один вольт.) Хотя на первый взгляд может показаться странным измерять массу с помощью единиц энергии, 9–36 кг (откроется в новой вкладке)). Для сравнения: нейтрино примерно в 90 005 – десять тысяч раз менее массивны, чем электроны 90 006 .

Нейтрино вообще не взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием , которое связывает атомные ядра вместе, но они взаимодействуют с слабым взаимодействием , которое контролирует радиоактивный распад . Следовательно, именно так производятся нейтрино; например, в эксперименте KATRIN измерялась масса нейтрино, образовавшихся в результате распада изотопов трития.

Большая часть энергии коллапсирующей сверхновой излучается в виде нейтрино, образующихся при объединении протонов и электронов в ядре в нейтроны (Изображение предоставлено: Naeblys/Getty Images)

Как были открыты нейтрино?

Сохранение как энергии, так и углового момента — два фундаментальных принципа физики. Вы не можете производить энергию из ничего, и угловой момент не может просто исчезнуть. Еще в 1930 году известный квантовый физик Вольфганг Паули понял , что для сохранения сохранения энергии и углового момента при бета-распаде (в котором электрон или его античастица, позитрон, испускаются из радиоактивного атома) требуется наличие нового типа частиц без заряда, без массы или с очень малой массой и с квантовым спином 1/2. Этой новой теоретической частицей было, конечно же, нейтрино.

Он оставался чисто теоретическим до 1955 года, когда физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс из 900:05 Лос-Аламосская национальная лаборатория возглавила группу, которая впервые обнаружила нейтрино, возникающие в результате бета-распада внутри ядерного реактора на территории Саванна-Ривер в Южной Каролине. Их детектор нейтрино состоял из сцинтилляционной жидкости и фотоумножителей и не регистрировал нейтрино напрямую. Вместо этого детектор наблюдал за нейтрино, взаимодействующими с протонами в жидкости, которые производили позитроны и нейтроны. Позитроны аннигилировали, когда столкнулись с электронами, которые являются их эквивалентом антивещества, в жидкости. Эта аннигиляция преобразовала всю их массу в чистую энергию в виде двух гамма-лучей, в то время как нейтроны также произвели дополнительные гамма-лучи, когда они впоследствии были захвачены другим атомом. Фотоумножители смогли обнаружить эти гамма-лучи.

Однако эти нейтрино были искусственно созданы ядерным реактором. Первое обнаруженное «естественное» нейтрино было обнаружено в 1965 году в ходе эксперимента глубоко под землей на золотом руднике Ист-Рэнд в Южной Африке, но только когда был построен знаменитый детектор Homestake Mine, нейтрино физика действительно достигла совершеннолетия.

Шахта Хоумстейк в Южной Дакоте когда-то была крупнейшим золотым рудником в США . Физики Джон Бэколл и Рэй Дэвис-младший провел эксперимент глубоко в шахте для обнаружения нейтрино, исходящих из ядра солнца , где реакции ядерного синтеза превращают водород в гелий. Для этого Бахколл и Дэвис заполнили резервуар в шахте 100 000 галлонов (454 600 литров) богатой хлором жидкости для сухой чистки, а точнее перхлорэтилена. Методика была проста — в тех случаях, когда нейтрино взаимодействовало с атомом хлора-37, он превращался в радиоактивный изотоп аргона-37, и, подсчитав, сколько атомов аргона-37 появлялось каждые несколько недель, Дэвис и Бахколл мог вычислить, сколько нейтрино от солнца прошло через спасибо. Поскольку он находился на глубине 4850 футов (1478 метров) под землей, эксперимент Homestake был защищен от космических лучей , которые могут повлиять на результаты.

Сцена эксперимента с солнечными нейтрино в 1968 году, расположенного глубоко под землей на золотом руднике Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота. (Изображение предоставлено Министерством энергетики США)

(открывается в новой вкладке)

Нейтринные осцилляции

Однако результаты Homestake оказались большой проблемой, поскольку количество нейтрино значительно ниже ожидаемого — всего лишь треть от количества нейтрино. как и предсказывалось, исходит от солнца. Другие последующие детекторы нейтрино, такие как Super Kamiokande в Японии подтвердил эти результаты.

Либо были большие проблемы с нашим пониманием нейтрино, либо были еще большие проблемы с нашим пониманием солнца.

Она стала известна как проблема солнечных нейтрино, которую Бахколл описывает для нас своими словами на веб-сайте Нобелевской премии (Бахколл и Дэвис получили Нобелевскую премию по физике 2002 года за свое открытие), и это озадачивало ученых в течение трех десятилетий, прежде чем они пришли к решению. Ученые не упустили из виду, что существует три вида нейтрино, и две трети ожидаемых нейтрино, исходящих от Солнца, отсутствовали. Стечение обстоятельств? Ученые так не думали.

Ядерные реакции внутри Солнца должны испускать только электронные нейтрино, для обнаружения которых и были поставлены эксперименты. Предположим, однако, что на расстоянии 93 205 678 миль (150 миллионов километров) между нами и Солнцем две трети электронных нейтрино каким-то образом трансформировались в мюонные и тау-нейтрино. Квантовая физика говорит, что это возможно, потому что квантовые состояния всех трех типов нейтрино могут накладываться друг на друга. Эти состояния могут изменяться с течением времени, поэтому нейтрино может начать с одного доминирующего состояния, затем оно переходит в другое состояние и так далее и тому подобное. это называется осцилляция нейтрино (открывается в новой вкладке), но работает только в том случае, если нейтрино имеют массу, а до недавнего времени считалось, что они лишены массы.

В 2001 году наблюдения Нейтринной обсерватории Садбери , расположенной глубоко в медном руднике в Онтарио, Канада, доказали, что нейтрино колеблются между разными «ароматами». Следовательно, у них должна быть масса, и мы видели ранее в статье, что ученые все еще пытаются точно определить, сколько у них массы.

Откуда берутся нейтрино?

Как мы уже видели, нейтрино производятся внутри ядерных реакторов на Земле и термоядерных реакций внутри Солнца. Тем не менее, они также производятся гораздо дальше. В феврале 1987 года звезда взорвалась как сверхновая в Большом Магеллановом Облаке , которое представляет собой маленькую соседнюю галактику . Сверхновая, известная как SN 1987A , была видна невооруженным глазом. Однако за два-три часа до того, как видимый свет сверхновой достиг нас, зарегистрирован всплеск нейтрино , исходящий от умирающей звезды. На каждом детекторе по всему миру была обнаружена лишь горстка нейтрино, но, учитывая слабое взаимодействие нейтрино, две дюжины обнаружений были намного выше фонового уровня и указывали на огромный всплеск нейтрино, который был произведен при коллапсе ядра звезды. . Это был первый случай обнаружения нейтрино, испускаемого сверхновой, и это подтвердило различные теории о том, как массивные звезды заканчивают свою жизнь.

Составное изображение остатка сверхновой SNR 0519-69.0, созданное с использованием данных космических телескопов НАСА «Хаббл» и «Чандра». (Изображение предоставлено: X-ray: NASA/CXC/GSFC/BJ Williams et al.; Оптическое: NASA/ESA/STScI)

(открывается в новой вкладке)

вокруг активных сверхмассивных черных дыр, таких как найденные в квазарах и блазарах . Нейтрино также имеют отношение к космологии, поскольку первичные нейтрино, образовавшиеся в первую секунду после Большого взрыва, также распространены во Вселенной — по одной оценке, их около 9.0005 300 нейтрино Большого Взрыва в каждом кубическом сантиметре (откроется в новой вкладке). Эти нейтрино от Большого Взрыва были обнаружены , а также то, как они влияют на размер барионных акустических колебаний в космическом микроволновом фоновом (CMB) излучении. Следовательно, понимание нейтрино Большого взрыва поможет нам лучше понять реликтовое излучение и сам Большой взрыв.

Являются ли нейтрино темной материей?

Темная материя — загадочное вещество, которое, по мнению многих ученых, может объяснить наблюдаемую дополнительную гравитацию, удерживающую вместе галактики и скопления галактик . Темную материю нельзя увидеть, и она взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации . Если и взаимодействует с обычной материей каким-то другим образом, то очень слабо.

Нейтрино, кажется, отвечают всем требованиям, но есть проблема: они недостаточно массивны. Даже несмотря на то, что бесчисленное количество нейтрино заполняет все уголки и закоулки Вселенной, при максимальной энергии 0,8 эВ, трех известных видов нейтрино — электрона, мюона и тау — по-прежнему недостаточно, чтобы объяснить всю темную материю.

Однако, что, если существует другой тип нейтрино , который ранее оставался незамеченным? Эксперимент на детекторе нейтрино с жидким сцинтиллятором в Лос-Аламосской национальной лаборатории показал, что на 90 005 мюонных антинейтрино больше колеблется в 90 006 электронных антинейтрино , чем предсказывала теория. Эксперимент MiniBooNE (BooNE расшифровывается как Booster Neutrino Experiment) в FermiLab также обнаружил более сильный сигнал колебаний, чем ожидалось.

Астрономы предположили, что четвертый тип нейтрино, известный как стерильных нейтрино , может существовать как способ объяснения этих странных моделей колебаний. Стерильные нейтрино должны обладать очень специфическими свойствами. Он будет взаимодействовать только через гравитацию и вообще не будет взаимодействовать с другими силами природы, в отличие от трех других разновидностей нейтрино, которые взаимодействуют со слабым взаимодействием. Стерильное нейтрино также не будет иметь электрического заряда. Более того, его масса может быть где-то между 1 эВ и огромными 15 ГэВ (примерно в 15 раз массивнее протона). Может быть даже несколько типов стерильных нейтрино. Если стерильные нейтрино находятся в верхней части предполагаемого диапазона масс, они могут объяснить, по крайней мере, часть таинственной темной материи. Однако последующие поиски стерильных нейтрино не дали результатов, и на данный момент их существование остается строго гипотетическим.

Будущее нейтринной астрономии

Ведущим современным детектором нейтрино является обсерватория IceCube . Зачем наполнять баки десятками тысяч галлонов чистящей жидкости, если можно использовать кубический километр природного льда, закопанного на Южном полюсе? Во льду имплантированы 5160 цифровых оптических модулей, расположенных цепочками, свисающими из 86 замерзших скважин. Когда падающее высокоэнергетическое нейтрино взаимодействует с молекулой льда, оно разбивает лед на части, создавая каскад частиц, включая мюоны, которые движутся лишь на капельку медленнее, чем скорость света в вакууме. Поскольку скорость света во льду меньше, чем скорость света в вакууме, мюоны фактически движутся быстрее света во льду. Поэтому они испускают вспышку света, оптический эквивалент звукового удара, называемого черенковским излучением . Затем цифровые оптические модули обнаруживают вспышку черенковского излучения, регистрируя наличие нейтринного взаимодействия.

Наземный объект для эксперимента IceCube, который расположен подо льдом толщиной почти 1,6 км в Антарктиде. IceCube предполагает, что призрачных нейтрино не существует, но новый эксперимент говорит, что они существуют. (Изображение предоставлено Нейтринной обсерваторией IceCube)

(открывается в новой вкладке)

Последний запуск Большого адронного коллайдера также настроен на обнаружение нейтрино. Ранее БАК не имел возможности обнаруживать нейтрино, образующиеся при столкновениях частиц, но для своего последнего наблюдения запустил два новых инструмента для обнаружения нейтрино — Forward Search Experiment (FASER) (открывается в новой вкладке) и . Scattering and Neutrino Detector — введены, и среди прочего их будет поиск следов стерильных нейтрино .

Заглядывая в будущее, ученые надеются построить Тихоокеанский нейтринный эксперимент (P-ONE), который будет гигантским детектором нейтрино глубиной не менее двух миль, с нитями фотодетекторы держались на плаву на расстоянии нескольких квадратных миль и обнаруживали черенковский свет, как IceCube.

Нейтрино — одна из самых сокровенных тайн Вселенной, и мы только сейчас начинаем раскрывать некоторые из их тайн. С планами в недавних 9 национальных академий0005 Astro2020 Decadal Survey для модернизированной обсерватории IceCube на 2030-е годы и далее, мы будем узнавать все больше и больше о нейтрино, их странном поведении и о том, что они означают для Вселенной в целом.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о нейтрино с этими ресурсами из Министерства энергетики (откроется в новой вкладке). Узнайте, являются ли нейтрино причиной существования материи (открывается в новой вкладке) на информационном веб-сайте, посвященном нейтрино. Более подробно исследовать электронные нейтрино и антинейтрино с помощью HyperPhysics от Университета штата Джорджия (открывается в новой вкладке).

Подписывайтесь на Кита Купера в Твиттере @21stCenturySETI (открывается в новой вкладке) . Следуйте за нами в Твиттере @Spacedotcom (открывается в новой вкладке) и на Facebook (открывается в новой вкладке) .

Библиография

Эбботт, А. (2021, 17 мая). Поющий нейтрино, лауреат Нобелевской премии, чуть не разбомбивший Неваду. Новости природы. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.nature.com/articles/d41586-021-01318-y 9.0003

Бахколл, Дж. Н. (2004 г., 28 апреля). Разгадка тайны пропавших нейтрино. Нобелевская премия.org. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.nobelprize.org/prizes/themes/solving-the-mystery-of-the-missing-neutrinos/

Бауманн, Д., Бейтлер, Ф., Флаугер, Р. ., Грин Д., Слосар А., Варгас-Маганья М., Валлиш Б. и Йече К. (2019 г., 25 февраля). Первое ограничение на индуцированный нейтрино фазовый сдвиг в спектре барионных акустических колебаний. Новости природы. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.nature.com/articles/s41567-019.-0435-6

Нейтрино Большого взрыва. Все вещи нейтрино. Получено 21 сентября 2022 г. с https://neutrinos.fnal.gov/sources/big-bang-neutrinos/

Берроуз, А., и Латтимер, Дж. М. (1987, июль). Нейтрино от SN 1987A. НАСА/АДС. Получено 21 сентября 2022 г. с https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1987ApJ…318L..63B/abstract

CERN. ФАСЕР. Получено 21 сентября 2022 г. с https://faser.web.cern.ch/

Десятилетний обзор астрономии и астрофизики 2020 г. Национальные академии. (н.д.). Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020 9.0003

Первый взгляд на то, как Земля останавливает высокоэнергетические нейтрино на своем пути. Кубик льда. (2017, 22 ноября). Получено 21 сентября 2022 г. с https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2017/11/first-look-at-how-earth-stops-high-energy-neutrinos-in-their-tracks. /

МАГАТЭ. (2022, 28 июля). Что такое черенковское излучение? МАГАТЭ. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-cherenkov-radiation

21 июля 2000 г .: Фермилаб объявляет о первых прямых доказательствах тау-нейтрино. Американское физическое общество. (2011, июль). Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.aps.org/publications/apsnews/201107/physicshistory.cfm

Катрин — Катрин. КОМПЛЕКТ. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.katrin.kit.edu/

Magnuson, M. (2021, 17 августа). Поиск стерильного нейтрино. журнал симметрии. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.symmetrymagazine.org/article/the-search-for-the-sterile-neutrino

Reines, F., Crouch, MF, Jenkins, TL, Kropp, WR, Gurr. , HS, & Smith, GR (1965, 26 июля). Доказательства взаимодействия нейтрино космических лучей высоких энергий. Система астрофизических данных SOA/NASA (ADS). Получено 21 сентября 2022 г. с https://adsabs.harvard.edu/full/19.69цра.конф..305Р

Стерильные нейтрино. Все вещи нейтрино. Получено 21 сентября 2022 г. с https://neutrinos.fnal.gov/types/sterile-neutrinos/

Нейтринная обсерватория Садбери. Домашняя страница СНО. Получено 21 сентября 2022 г. с https://sno.phy.queensu.ca/

На пути к новому нейтринному телескопу в Тихом океане. Тихоокеанское нейтрино. Получено 21 сентября 2022 г. с https://www.pacific-neutrino.org/

Что такое барионные акустические колебания? Наука и технологии ЕКА. Получено 21 сентября 2022 г. с https://sci.esa.int/web/euclid/-/what-are-baryonic-acoustic-oscillations- 9.0003

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Кит Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета. Он является автором книги «Парадокс контакта: вызов нашим предположениям в поисках внеземного разума» (Bloomsbury Sigma, 2020) и написал статьи по астрономии, космосу, физике и астробиологии для множества журналов и веб-сайтов.

Крошечные посланники Вселенной · Границы для юных умов

Реферат

Нейтрино — крошечные субатомные частицы. Миллиарды их проходят через нас каждую секунду, в основном исходящие от нашего солнца. Но в отличие от солнечного света, который мы можем легко увидеть, нейтрино очень трудно обнаружить. Чтобы «увидеть» их, нам нужно построить действительно большие детекторы и блокировать сигналы от любых других частиц. Ученые делают это, строя детекторы нейтрино глубоко под землей. В этой статье вы узнаете, как эти гигантские детекторы могут помочь расшифровать «сообщения», которые эти призрачные частицы передают о составе и истории звезд, галактик и Вселенной.

Введение

Нейтрино — крошечные субатомные частицы, которые кажутся почти призраками. Триллионы из них проходят через нас каждую секунду, не оставляя следа! В основном они происходят из ядерных реакций , которые питают наше Солнце. Но в отличие от солнечного света, который мы видим и ощущаем на своем лице, эти призрачные частицы редко взаимодействуют с обычными материалами. Чтобы «увидеть» нейтрино, ученые строят действительно большие чувствительные детекторы, часто глубоко под землей. Вещество, из которого состоит Земля, помогает экранировать сигналы от других частиц, так что сигналы редких взаимодействий нейтрино имеют шанс быть обнаруженными. Эти гигантские детекторы помогают ученым улавливать «сообщения», которые несут эти призрачные частицы. Когда ученые расшифровывают сообщения, они узнают о связи между нейтрино и составом и историей звезд, галактик и Вселенной.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — очень легкие частицы без электрического заряда. Они испускаются при распаде нестабильных атомных ядер. Такой радиоактивный распад происходит повсюду вокруг нас. Минералы в горных породах и даже калий в бананах распадаются с образованием нейтрино (см. рис. 1). Но гораздо больше нейтрино исходит от ядерных реакций на Солнце, чем от любого другого источника.

Рис. 1. Распад радиоактивного атома калия-40, который содержится в бананах и содержит 40 протонов (p) и нейтронов (n) в ядре, на кальций-40 плюс электрон (e ^–) и нейтральная «призрачная» частица-посланник, называемая нейтрино (греческая буква: ν , произносится как «ню»).
Понимание поведения нейтрино может помочь раскрыть важные тайны Вселенной. Фото: Тиффани Боуман, Брукхейвенская национальная лаборатория.

Независимо от их источника, нейтрино совершенно безвредны, потому что они не слипаются и не взаимодействуют ни с чем. Они исходят от солнца и из космоса и проходят сквозь обычную материю — даже наши собственные тела и саму Землю — без нашего ведома. Таким образом, они кажутся чем-то вроде призраков — там, и все же невидимых. Но поскольку нейтрино несут информацию о том, что происходит внутри звёзд и галактик, учёные хотят знать о них гораздо больше. Нейтрино могут даже помочь нам понять, что происходило, когда наша Вселенная впервые образовалась почти 14 миллиардов лет назад!

Как поймать призрачную частицу

Нейтрино редко взаимодействуют с обычным веществом, поэтому их очень трудно обнаружить. Если вы поставите стакан с водой на стол, через него каждую секунду будет проходить триллион нейтрино. Большинство этих загадочных частиц проходят сквозь него, не издавая ни звука, ни следов. Но время от времени, очень редко, примерно раз в десять миллионов триллионов раз, нейтрино ударяет в один из атомов, составляющих молекулу воды. Это редкое взаимодействие может вызвать крошечную вспышку света или оставить некоторый свободный электрический заряд.

Эта вспышка слишком слаба для ваших глаз. Но ученые могут построить очень чувствительные детекторы, чтобы уловить эти слабые сигналы. Как и в «Охотниках за привидениями», электроника внутри детекторов усиливает сигналы, делая невидимых «призраков» видимыми!

Но ожидание взаимодействия нейтрино «один из десяти миллионов триллионов» может занять очень много времени. Чтобы поймать достаточно нейтрино, чтобы что-то о них узнать, ученым нужен больший «стакан воды» — огромные резервуары, наполненные миллионами галлонов! И им приходится размещать огромные резервуары-детекторы глубоко под землей. Почему? Потому что нейтрино — не единственные частицы, летящие на Землю. Многие другие энергичные частицы, известные как космические лучи, также исходят из космоса. Каждая из этих частиц космических лучей может вызвать видимое взаимодействие в детекторах. Если бы резервуар детектора находился над землей, миллионы взаимодействий космических лучей легко заглушили бы редкие сигналы нейтрино. Но с детектором глубоко под землей космические лучи останавливаются взаимодействием с атомами Земли, в то время как нейтрино проходят прямо насквозь, оставляя свой след в детекторе.

Различные детекторы нейтрино и типы нейтрино

Нейтрино имеют огромный диапазон энергий. Это изменение может привести либо к крошечной вспышке света, либо к очень яркой вспышке в заполненных водой детекторах. Нейтрино также бывают трех разных типов, называемых ароматами. Ученые научились создавать детекторы, подходящие для каждого типа нейтрино и их огромного диапазона энергий.

Взаимодействие каждого типа нейтрино приводит к возникновению отрицательно заряженных частиц различного типа. Электронное нейтрино производит электрон (достаточно просто, правда?). Два других типа нейтрино названы в честь других, более тяжелых субатомных частиц: мюонное нейтрино производит мюонную частицу; а тау-нейтрино производит тау-частицу.

Существуют также антивещества версий трех ароматов нейтрино . Они точно такие же, как нейтрино из обычного вещества, за исключением того, что они производят положительно заряженные частицы в детекторе.

Ученые могут отличить эти частицы друг от друга, потому что каждый тип оставляет в детекторе свой узор. Например, мюоны оставляют прямые следы, электроны выглядят как ливни, а тау-частицы быстро распадаются, образуя множество прямых следов. Используя различные модели, ученые могут расшифровать ароматы нейтрино и скрытое сообщение, которое несет каждая призрачная частица.

Чувствительная электроника делает трехмерные снимки

В настоящее время группа ученых строит новый гигантский нейтринный детектор глубоко под землей в Южной Дакоте, США. Этот эксперимент известен как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Его детектор будет заполнен жидким аргоном .

Газообразный аргон составляет всего 1% нашей атмосферы, но ученые могут собирать его для получения очень чистого жидкого аргона. Эта сверххолодная жидкость (–186°C) позволяет легко обнаруживать траектории движения заряженных частиц, возникающие в результате взаимодействия нейтрино. Это связано с тем, что быстрые заряженные частицы, движущиеся через жидкий аргон, ионизируют атомы аргона на своем пути. Это 9Ионизация 0017 позволяет следам, которые они оставляют, проявляться как «молнии».

Но создание детектора холодного жидкого аргона — непростая задача. Чтобы убедиться, что этот новый дизайн будет работать, международная команда недавно создала и протестировала уменьшенную версию, известную как ProtoDUNE (см. рис. 2). Через этот детектор в европейской лаборатории физики элементарных частиц при Европейском совете по ядерным исследованиям (ЦЕРН) простреливали разные типы частиц. Тщательно разработанная электроника улавливала и записывала сигналы, а компьютеры преобразовывали эти измерения в красивые трехмерные изображения треков частиц (см. видео 1) — как пятимегапиксельная цифровая камера, работающая в трех измерениях!

Рис. 2. Ученый стоит внутри детектора ProtoDUNE в европейской лаборатории CERN до того, как он был заполнен холодным (–186°C!) чистым жидким аргоном.
Ученый осматривает внутреннюю поверхность, которая находится в изолированном ящике из очень чистой нержавеющей стали. Когда детектор заполнен и работает, на эти поверхности подается высокое напряжение, заставляющее заряженные частицы, образующиеся в результате ионизации жидкого аргона, дрейфовать и улавливаться чувствительной электроникой, чтобы ученые могли их регистрировать. Предоставлено: Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 903:00

Видео 1. На этом изображении показаны следы многих частиц космических лучей, проходящих через детектор protoDUNE.
Эти данные использовались для проверки работы детектора. Цвета соответствуют интенсивности ионизации в жидком аргоне (красный меньше, синий сильнее). Ионизация осуществляется приложением к детектору мощного электрического поля. Это трехмерное изображение было создано путем анализа и объединения электронных сигналов от тысяч проводов на стенах, которые действуют как пиксели в цифровой камере. Авторы и права: Чао Чжан, Брукхейвенская национальная лаборатория. Вы можете просмотреть эти данные в 3-х измерениях по этой ссылке. 903:00

Вестники Солнца, атмосферы, реакторов и ускорителей

За последние 50 лет ученые стали лучше обнаруживать нейтрино. Они измерили их исходящие от Солнца, от столкновений космических лучей с атомами в атмосфере Земли и от ядерных реакторов, производящих электричество (см. рис. 3). Они также научились создавать очень энергичные нейтрино на мощных ускорителях частиц . Каждый вид источника производит разные ароматы нейтрино при разных энергиях. Тщательно подсчитывая нейтрино каждого аромата на разных расстояниях от этих источников, ученые сделали два замечательных открытия о нейтрино. Во-первых, они обнаружили, что нейтрино трех разных типов превращаются друг в друга, путешествуя в космосе! Другими словами, сообщения, которые несут нейтрино, меняются по мере их полета. Во-вторых, они обнаружили, что нейтрино имеют очень маленькую массу! Каждая частица нейтрино весит менее одной миллионной массы электрона.

Рис. 3. Четыре источника нейтрино, используемые для экспериментов.
(A) Солнце производит электронные нейтрино ( ν _e ). (B) Нейтрино двух типов, мюонные ( ν _μ) и электронные ( ν _e), образуются в результате столкновений атомов высоких энергий в атмосфере Земли с космическими лучами. (C) Ядерные реакторы испускают антиэлектронные нейтрино (анти- ν _и ). (D) Ускорители протонов высоких энергий производят пучок мюонных нейтрино ( ν _μ ), направленный через Землю. Детекторы располагают на разном расстоянии от источников. Фото: Тиффани Боуман, Брукхейвенская национальная лаборатория.

Самый первый эксперимент по успешному обнаружению солнечных нейтрино, проведенный Рэймондом Дэвисом из Брукхейвенской национальной лаборатории в 1960-х годах, оказался сюрпризом: многие из нейтрино, которые ученые ожидали обнаружить, каким-то образом «отсутствовали». Но это было не потому, что детектор не работал. Ученые спроектировали свой детектор так, чтобы он принимал только один тип нейтрино — электронные нейтрино, генерируемые в ядре Солнца. Они могли точно рассчитать, сколько электронных нейтрино должно быть обнаружено. Но в детекторе обнаружилось лишь около трети ожидаемых электронных нейтрино. В ходе последующих экспериментов ученые в конце концов узнали причину этой загадки: некоторые из электронных нейтрино превратились в один из двух других ароматов (мюон или тау) во время своего путешествия от Солнца. Поскольку детектор был слеп к этим двум другим вкусам, они, похоже, отсутствовали!

Открытие Дэвисом «дефицита солнечных нейтрино» поначалу вызвало большие споры. Это должно было быть проверено другими экспериментами. В других экспериментах использовались атмосферные нейтрино, реакторные нейтрино и ускорительные нейтрино. Во всех этих экспериментах ученые обнаружили, что ароматы нейтрино «исчезают» — превращаясь в другие ароматы на большом расстоянии.

Новый эксперимент DUNE в Соединенных Штатах и эксперимент Hyper-Kamiokande в Японии раскроют больше деталей об изменении формы нейтрино и антинейтрино. Если ученые найдут разницу между преобразованием нейтрино и антинейтрино, это может решить одну из самых важных загадок Вселенной: почему Вселенная состоит только из материи, а не из антиматерии.

Ученые считают, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах в Большом Взрыве . Равные количества этих двух противоположностей должны были уничтожить друг друга, оставив только свет! Итак, существование только материи сегодня является свидетельством того, что был небольшой избыток материи. Возможно, разница между нейтрино и антинейтрино вызвала этот небольшой избыток по мере расширения и охлаждения Вселенной. Если это правда, мы должны благодарить нейтрино за ту вселенную, которая у нас есть сегодня, наполненную всеми видимыми вещами вокруг нас, включая камни, растения, животных и людей!

Глоссарий

Ядерные реакции : ↑ Ядерные реакции происходят, когда атомные ядра реагируют друг с другом, образуя другие ядра. На Солнце ядра водорода (протоны) объединяются, образуя ядра гелия и выделяя энергию — тепло и солнечный свет.

Радиоактивный распад : ↑ Ядра многих атомов нестабильны, и со временем они распадаются, высвобождая энергичные частицы, такие как альфа-, бета- и гамма-лучи. Этот процесс распада называется радиоактивным распадом.

Антивещество : ↑ У каждого типа заряженных частиц материи есть противоположно заряженный аналог. Эти одинаковые, но противоположно заряженные частицы и есть антивещество (или античастицы). Например, антивещественный аналог мюона (отрицательно заряженный) — это антимюон (положительно заряженный). У нейтрино нет заряда, но есть и античастицы; Понимание природы этих антинейтрино — одна из важнейших загадок физики.

Ароматы нейтрино : ↑ Нейтрино бывают трех видов или типов, названных в честь различных типов заряженных частиц, которые они производят при взаимодействии с обычным веществом. Три фундаментальные отрицательно заряженные частицы — это электрон, мюон и тау-частица. Они идентичны во всем, кроме того, что мюон в 200 раз тяжелее электрона, а тау в 3500 раз тяжелее.

Жидкий аргон : ↑ Аргон — это инертный газ, составляющий один процент атмосферы Земли. Он становится жидким при температуре -186°C и имеет вид прозрачной воды. Это хорошо для обнаружения нейтрино, потому что ионизация сохраняется достаточно долго, чтобы ее можно было обнаружить.

Ионизация : ↑ Ионизация происходит, когда энергичные частицы выбивают электроны из атомов. В результате образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны.