Что такое нейтрино, и почему они призрачные
Нейтрино — самые распространенные частицы во Вселенной. Около 100 триллионов нейтрино проходят сквозь наше тело каждую секунду, но мы этого даже не замечаем. Эти элементарные частицы почти не взаимодействуют с окружающей средой. Они имеют массу, но она настолько мала, что долгое время считалась равной нулю. У нейтрино нет электрического заряда, из-за чего они не взаимодействуют с электромагнитным полем, как, например, электроны.
Также нейтрино могут похвастаться невероятной проникающей способностью. Чтобы поймать хотя бы одну такую частичку, нужен детектор размером с целую гору. Нейтрино пролетают через тысячи километров земной коры, не оставив никакого следа. Именно поэтому ученые зовут их призраками Вселенной.
При всей своей незаметности нейтрино очень важны для науки. Они играют большую роль в стандартной модели физики элементарных частиц, образовании звезд и черных дыр, а также природе Большого взрыва.
Стандартная модель описывает элементарные частицы и их взаимодействия. Нейтрино относятся к семейству лептонов. Всего лептонов 3 — электрон, мюон и тау-лептон. И у каждого есть связанное с ним нейтрино. При этом хитрые нейтрино умеют менять свой тип прямо в процессе движения.
Впервые теоретически предсказал эти частицы австрийский физик Вольфганг Паули в 1930 году. Он объяснил, куда исчезает часть энергии в процессе радиоактивного распада. Но экспериментально подтвердили существование нейтрино лишь в 1956 году. Американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнс зафиксировали призрачную частицу с помощью детектора, установленного возле атомного реактора.
Как ученые охотятся за нейтрино
Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда и крайне малы, их практически невозможно обнаружить напрямую. Вместо этого методы делают упор на обнаружение более тяжелых заряженных частиц, образующихся при взаимодействии нейтрино. Но в августе 2023 года на Большом адронном коллайдере их впервые зафиксировали напрямую — целых 153 штуки. Вот еще проекты, которые охотятся за этими призрачными частицами:
1. IceCube: ловит нейтрино во льдах
Этот детектор частиц объемом кубический километр находится в антарктическом льду под станцией Амундсена-Скотта на Южном полюсе. Он сторожит нейтрино в вечной мерзлоте с декабря 2010 года. Состоит IceCube из 86 рядов фотодетекторов, простирающихся на глубину около 2,5 км под поверхностью ледника. Каждый прибор фиксирует черенковское излучение, возникающее при взаимодействии нейтрино с атомами льда.
В 2013 году IceCube зафиксировал нейтрино высокой энергии, названное Берт — в честь персонажа из «Улицы Сезам». Этот случай подтвердил, что нейтрино могут приходить от далеких космических объектов, например блазаров.
2. DUNE: подземный охотник за нейтрино
DUNE или Deep Underground Neutrino Experiment — международный эксперимент по изучению нейтрино, находящийся на стадии разработки. В его рамках планируют построить 2 детектора нейтрино. Один будет регистрировать взаимодействия частиц в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми штата Иллинойс. Второй, более крупный детектор, расположится в более чем 1 км под землей в Исследовательской лаборатории Сэнфорда Южной Дакоты.
3. Super-Kamiokande: горный ловец нейтрино
Super-Kamiokande или Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment — это нейтринная обсерватория на глубине 1 км под горой Икено вблизи японского города Хида. Управляет ей международная команда токийского Института исследований космических лучей.
С 1996 года в Super-Kamiokande исследователи ищут нейтрино высоких энергий и распад протонов. А также изучают солнечные и атмосферные нейтрино и наблюдают за сверхновыми Млечного Пути.
Зачем изучать нейтрино
О нейтрино и важности их изучения мы спросили научного работника лаборатории сверхсильных световых полей Валерия Теплякова:
«В 1932 году немецкий физик Паули разрешил парадокс В-распада: в ходе одинаковых ядерных реакций возникают электроны с разными скоростями, что противоречит законам сохранения энергии и импульса. Гипотеза о возникновении еще одной частицы восстанавливала верность физических закономерностей.
Частица обладает околонулевой массой, у нее нет электрического заряда — она маленькая и нейтральная — поэтому и названа «нейтрино» («маленький нейтрон» на итальянском). Важно, что эта частица — переносчик слабого взаимодействия (так же, как фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия), и помимо законов сохранения импульса и энергии реализует закон сохранения лептонного числа. Позже это открытие подтвердили экспериментально.
Исследования нейтрино актуальны сейчас и будут актуальны: частица слабо взаимодействует с веществом, поэтому способна преодолеть огромные расстояния с малыми потерями энергии. Изучение свойств нейтрино позволяет узнавать информацию о процессах, произошедших в далеком космосе. Даже изучение полученных в ядерных распадах нейтрино дает лучшее понимание об особенности этих распадов».
Нейтрино действительно помогут ученым раскрыть многие тайны мироздания. Эти частицы играют огромную роль во многих фундаментальных аспектах нашей жизни. Нейтрино производятся в процессах ядерного синтеза, которые питают солнце и звезды, в радиоактивных распадах, которые обеспечивают источник тепла внутри нашей планеты. И также они производятся в ядерных реакторах. Понимание нейтрино расширит наши знания о других элементах астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.
