Загадочная сага об одной из самых разыскиваемых астрофизиками частиц. 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 и впервые была обнаружена в 1950-х годах, нейтрино обладают таинственной аурой, и их часто называют «частицами-призраками» — они не преследуют и не опасны, но они просто проносятся сквозь Землю, а мы даже не замечаем их.
По словам астрофизика Клэнси Джеймса из Университета Кертина в Западной Австралии, в последние годы частицы-призраки попадают в заголовки по самым разным причинам. Антарктическое столкновение было связано с тем, что чёрная 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 учёные поймали призрака и могли бы сказать, что это призрак умершего человека. Это изменило бы всё, что люди знают о Вселенной. Частицы-призраки представляют большую опасность по той же причине, и именно поэтому астрофизики пытаются их заманить в ловушку.
Фото: stringfixer.com
Что такое нейтрино
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. 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, такими как сверхмассивные чёрные дыры и взрывающиеся звёзды, и они также были созданы в начале Вселенной: в Большом Взрыве.
Подобно свету, они движутся в основном по прямой линии от того места, где 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. Триллионы их проносятся сквозь Землю и прямо сквозь людей.
Каждую секунду каждого дня со дня рождения человека нейтрино проходят через его тело. Просто люди этого не знают, потому что эти частицы почти ни с чем не взаимодействуют.
Они не разбиваются на атомы, из которых состоит тело человека, и поэтому он даже не знает, что они там. Точно так же, как призрачный дух проходит сквозь стену, нейтрино движется прямо сквозь неё.
Изучение нейтрино на протяжении десятилетий преподнесло учёным немного сюрпризов. Согласно стандартной модели, нейтрино не должны иметь массы. Но они имеют. «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. Учёные 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 менять тип или как ещё называют «аромат» (это фактическая не придуманная терминология). Призрачная частица имеет только три различных типа — электрон, мюон и тау, — и они могут меняться по мере движения в пространстве.
Например, электронное нейтрино может быть произведено Солнцем, а затем детектировано как мюонное нейтрино. И такое изменение означает, что у нейтрино действительно есть масса. Физика говорит, что они не могли бы изменить «аромат», 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, учёные 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.
Фото: stringfixer.com
Детектор нейтрино? Но разве они не... частицы-призраки? Как обнаружить нейтрино?
Как отмечает Джеймс, «эти частицы в основном проходят прямо через любой детектор, который вы строите!» Но есть несколько способов поймать призрака. Одним из ключевых ингредиентов, которые нужны, является пространство. Физическое пространство, глубоко под землёй. Ради отличных результатов учёные 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 IceCube
Детектор в Антарктиде, известный как IceCube, закопан на глубине около 2,5 км. «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 нём вместо льда используется резервуар с водой на 55 000 тонн, и он похоронен под горой Икено. Оба способны определить 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 — можно увидеть, как он взаимодействует со стульями (бросая их в людей) и светом (угрожающе включая и выключая его), но не самого призрака.
Чему можно 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.
Учёные также знают, что их могут производить экстремальные космические объекты и события. Например, известно, что взрывающиеся звёзды или сверхновые звёзды создают нейтрино и разбрасывают их по Вселенной. Как и сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие газ, пыль и звёзды. «Обнаружение нейтрино говорит нам о том, что происходит в этих объектах», — говорит Джеймс. Поскольку они почти не взаимодействуют с окружающей материей, можно было бы использовать нейтрино, чтобы увидеть эти типы объектов и понять их в областях Вселенной, которые нельзя изучать с другими электромагнитными длинами волн (такими как оптический свет, ультрафиолет и радио).
Фото: stringfixer.com
Например, учёные могли бы заглянуть в сердце Млечного Пути, которое трудно наблюдать в других электромагнитных волнах, потому что нашему взгляду мешают газ и пыль. Надёжное обнаружение и отслеживание может стимулировать революцию в астрономии, подобную той, которая сейчас наблюдается с
гравитационными волнами. По сути, нейтрино могут дать совершенно новый взгляд на космос, дополняя существующий набор телескопов и детекторов, чтобы показать, что происходит в пустоте.
Что такое стерильные нейтрино
Стерильные нейтрино — это совершенно другой класс нейтрино. Они полностью теоретические, но учёные 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 тёмной материи, которая составляет более четверти Вселенной, но которую никто никогда не видел.
Это означает, что нейтрино также могут помочь ответить на ещё одну неприятную загадку физики: что такое тёмная материя?
Есть много кандидатов на тёмную материю, теоретизированных физиками, и ещё многое предстоит узнать — возможно, она вообще не связана с нейтрино!
Что ещё нужно знать о нейтрино
Есть некоторые наиболее сногсшибательные теории о нейтрино, такие как безнейтринный двойной бета-распад и представление о нейтрино как о майорановской частице. Было предложено несколько новых экспериментов с нейтрино, в том числе Giant Radio Array for Neutrino Detection, или GRAND, в котором будет размещено до 200 000 приёмников. 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 пока удалось обнаружить и проследить лишь несколько нейтрино, в следующем десятилетии нейтринная астрономия должна стать действительно популярной. Суть в том, что понимание нейтрино, их «аромата» и массы откроет окно в фундаментальную природу нашей Вселенной. И всегда интересно погоняться за призраками.