Частица-призрак: что такое нейтрино?
Рад вас видеть снова, друзья!
А сейчас мы с вами поговорим о самой распространенной частице-призраке: нейтрино.
Нейтрино — это крошечные субатомные частицы, часто называемые «частицами-призраками», потому что они практически не взаимодействуют ни с чем другим.
Однако нейтрино — самая распространенная частица во Вселенной.
Хотите верьте, хотите нет, но примерно 100 триллионов нейтрино проходят через ваше тело совершенно безвредно каждую секунду!
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.
Нейтрино — одни из самых загадочных частиц в природе.
Несмотря на эти небольшие шансы, тот факт, что существует так много нейтрино, означает, что статистически некоторые из них взаимодействуют.
Например, вероятность того, что нейтрино свяжется с атомом в вашем теле в какой-то момент вашей жизни, составляет 1 к 4.
Учитывая, что за всю вашу жизнь через вас пронесется примерно 2,5 x 10^21 нейтрино, вероятность того, что любое данное нейтрино взаимодействует с вами, составляет примерно 1 к триллиону триллионов (1 к 10^24).
Нейтрино играют решающую роль в стандартной модели физики элементарных частиц, в физике звезд и черных дыр, 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 электроны, мюоны и тау-частицы, и каждому из них соответствует нейтрино и антинейтрино.
Что же представляют собой эти «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 KATRIN, эксперимент по тритиевым 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 поначалу может показаться странным измерять массу с помощью единиц энергии, Альберт Эйнштейн показал нам, как масса и энергия являются двумя сторонами одной медали (как описано в его знаменитом уравнении E = mc^2), а чрезвычайно малые массы частиц часто приводятся в эВ, поскольку преобразование в килограммы очень мало (0,8 эВ составляет примерно 1,4 x 10^–36)кг.
Для сравнения: нейтрино примерно в десять тысяч раз менее массивны, чем электроны.
Нейтрино вообще не взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает атомные ядра вместе, но они взаимодействуют со 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 с образованием нейтронов.
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 (Wolfgang Pauli) понял что для поддержания сохранения энергии и углового момента при бета-распаде (в котором электрон или его античастица, позитрон, испускаются из радиоактивного атома) требовалось присутствие нового типа частиц без заряда, массы нет или очень мало, а квантовый спин равен 1/2.
Этой новой теоретической частицей было, конечно же, нейтрино.
Он оставался чисто теоретическим до 1955 года, когда физики Клайд Коуэн (Clyde Cowan) и Фредерик Рейнес (Frederick Reines) из Лос-Аламосской национальной лаборатории возглавили группу, которая впервые обнаружила нейтрино, происходящие от бета-распада внутри ядерного реактора на территории Саванна-Ривер в Южной Каролине.
Их нейтринный детектор состоял из сцинтилляционной жидкости и фотоумножителей и не обнаружил 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 искусственно производились ядерным реактором.
Первое обнаруженное «естественное» нейтрино был обнаружен 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», нейтринная физика действительно достигла совершеннолетия.
«Homestake Mine» в Южной Дакоте когда-то был крупнейшим золотым рудником в Соединенных Штатах.
Физики Джон Бэколл (John Bahcall) и Рэй Дэвис-младший (Ray Davis, Jr.) провели эксперимент глубоко в шахте для обнаружения нейтрино, исходящих из ядра Солнца, где реакции ядерного синтеза превращают водород в гелий.
Для этого Бэколл и Дэвис заполнили резервуар в шахте 100 000 галлонов (454 600 литров) богатой хлором жидкости для сухой чистки, а точнее перхлорэтилена.
Методология была проста — в тех случаях, когда нейтрино взаимодействовало с атомом хлора-37, оно превращалось в радиоактивный изотоп аргона-37, и, подсчитав, сколько атомов аргона-37 появлялось каждые несколько недель, Дэвис и Бэколл могли вычислить, сколько нейтрино от солнца прошло через атмосферу.
Поскольку он находился на глубине 4850 футов (1478 метров) под землей, эксперимент «Homestake» был защищен от космических лучей, которые могли повлиять на результаты.
Сцена эксперимента с солнечными нейтрино в 1968 году, расположенного глубоко под землей на золотом руднике «Homestake» в Лиде, Южная Дакота.
Нейтринные осцилляции
Однако результаты «Homestake» оказались большой проблемой, поскольку количество нейтрино значительно ниже ожидаемого — было измерено, что только треть от предсказанного количества нейтрино исходит от Солнца.
Другие последующие детекторы нейтрино, такие как «Super Kamiokande» в Японии подтвердили эти результаты.
Либо была большая проблема с нашим пониманием нейтрино, либо была еще большая проблема с нашим пониманием Солнца.
Она стала известна как проблема солнечных нейтрино, которую Бэколл описывает для нас своими словами на веб-сайте Нобелевской премии (Бэколл 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 нейтринные осцилляции, но это 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, базирующийся 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 видели, нейтрино образуются внутри ядерных реакторов на Земле и термоядерных реакций внутри Солнца.
Однако они также производятся гораздо дальше в полевых условиях.
В феврале 1987 года звезда взорвалась как сверхновая в «Большом Магеллановом Облаке», небольшой соседней галактике.
Сверхновая, известная как «SN 1987A», была видна невооруженным глазом.
Однако за два-три часа до того, как видимый свет сверхновой достиг нас, был обнаружен 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, возникший 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».
С тех пор также были обнаружены нейтрино, исходящие от сильных событий вокруг активных сверхмассивных черных дыр, таких как обнаруженные 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, в каждом кубическом сантиметре содержится около 300 нейтрино Большого взрыва.
Эти нейтрино от Большого Взрыва были обнаружены, а также 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.
Нейтрино — темная материя?
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 через гравитацию.
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 жидкостном сцинтилляторном детекторе нейтрино в Лос-Аламосской национальной лаборатории показал, что больше мюонных антинейтрино осциллировало в электронные антинейтрино, чем предсказывала теория.
Эксперимент «MiniBooNE» (BooNE расшифровывается как Booster Neutrino Experiment) в FermiLab также обнаружил более сильный колебательный сигнал, чем ожидалось.
Астрономы предположили, что четвертый тип нейтрино, известный как «стерильный» нейтрино, может существовать как способ объяснения этих странных моделей колебаний.
Стерильные нейтрино должны обладать очень специфическими свойствами.
Они будут взаимодействовать только через гравитацию и вообще не будут взаимодействовать с другими силами природы, в отличие от трех других разновидностей нейтрино, которые взаимодействуют со слабой силой.
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 чуть медленнее скорости 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» (Cherenkov Radiation).
Затем цифровые оптические модули обнаруживают вспышку Черенковского излучения, регистрируя наличие нейтринного взаимодействия.
Наземная установка для эксперимента «IceCube», расположенная подо льдом толщиной почти 1,6 километра в Антарктиде. «IceCube» предполагает, что призрачных нейтрино не существует, но новый эксперимент говорит, что они существуют.
Последний запуск «Большого адронного коллайдера» (БАК) также предназначен для обнаружения нейтрино.
Ранее БАК не имел возможности обнаруживать нейтрино, возникающие в результате столкновений частиц, но для его последнего запуска были введены два новых прибора для обнаружения нейтрино — «Forward Search Experiment» (FASER) и «Scattering and Neutrino Detector», и среди прочего они будут искать доказательства существования стерильных нейтрино.
Заглядывая в будущее, ученые надеются построить Тихоокеанский нейтринный эксперимент (Pacific Ocean Neutrino Experiment — P-ONE), который представлял бы собой гигантский детектор нейтрино глубиной не менее двух миль с цепочками фотоприемников, удерживаемых на плаву на площади в несколько квадратных миль, и который мог бы обнаруживать Черенковское излучение, подобный «IceCube».
Нейтрино — одна из самых сокровенных тайн Вселенной, и мы только сейчас начинаем раскрывать некоторые из их тайн.
С планами в недавнем десятилетнем обзоре Национальной академии наук «Астро2020» для модернизированной обсерватории «IceCube» на 2030-е годы и последующий период мы будем узнавать все больше и больше о нейтрино, их причудливом поведении и о том, что они значат для Вселенной в целом.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
Комментарии к этой статье:
Чистый перевод зарубежного хвастовства, и автор похоже даже не знает о лаборатории по изучению нейтрино в россии и ее работе. А описанная установка ICE CUBE морально устарела
Здравствуйте, Юрий!
Если честно сказать — первый раз слышу что в России есть лаборатория по изучению нейтрино. Давайте так — напишите статью по нашей лаборатории и я ее размещу на сайте. Может кому будет интересно. Заранее спасибо!