Кейсы

Поймать нейтрино: как ученые ищут ответы в частицах, прилетевших на Землю со всех концов Вселенной

Далее

Обнаружение гравитационных волн и нейтрино входит в список наиболее важных открытий, совершенных физиками в начале XXI века. «Хайтек» рассказывает, как работают гравитационно-волновые и нейтринные обсерватории, как ученым удалось зафиксировать слияние двух черных дыр благодаря ряби в ткани пространства-времени и как редкие фундаментальные частицы позволят заглянуть за гипотетическую водородную стену на границе видимой Вселенной.

Нейтринные обсерватории

Космические лучи — потоки элементарных частиц, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, впервые зафиксированы в 1912 году. Такие частицы постоянно бомбардируют Землю, однако отследить их источник достаточно трудно.

Поскольку космические лучи состоят не только из нейтральных частиц (или нейтрино), но и из заряженных, они взаимодействуют с магнитным полем нашей планеты. Это взаимодействие изменяет их траекторию и затрудняет определение источника излучения.

При этом нейтральные частицы свободно проходят через магнитные поля, следуя изначально заданной траектории. Каждую секунду примерно 100 млрд нейтрино проходят через один квадратный дюйм вашего тела. Большинство из них формируется при слиянии протонов на Солнце и недостаточно энергичны, чтобы их можно было идентифицировать, но некоторые достигают нашей планеты из-за пределов Млечного пути.

На Земле нейтрино очень сложно зафиксировать — эти фундаментальные частицы почти не взаимодействуют с материей, за исключением редких случаев сталкивания нейтрино с ядром атома и следующей за этим ядерной реакции.

Последствия таких ядерных реакций почти незаметны: при столкновении нейтрино с ядром атома возникает черенковское излучение — слабое синее свечение, которое видно только в очень чистой воде или во льду. Излучение сохраняет информацию о траектории движения нейтрино и позволяет рассчитать энергию частицы. Это позволяет физикам изучить редкие частицы несмотря на то, что они неохотно идут на взаимодействие.

IceCube

Большая часть льда содержит пузырьки воздуха, которые образуют пустоты и искажают данные о траектории нейтрино. Но на глубинах более 2 км на Южном полюсе лед представляет собой однородную структуру без пузырьков — давление в нем столь велико, что лед сжимается и вытесняет воздух, пока не становится «чистым».

Миссия IceCube

Этой особенностью глубинного антарктического льда воспользовались физики из миссии IceCube — построенная ими обсерватория находится на глубине 2,5 км под исследовательской станцией Амундсен-Скотт и представляет собой детектор нейтрино площадью около 1 куб. км.

Станция оборудована 56 «струнами» и 5,2 тыс. оптических датчиков. Частицы проходят по струнам, а оптические датчики пытаются зафиксировать слабое синее свечение мюонов — частиц, которые формируются в результате столкновений нейтронов с атомами льда и излучают слабое синее свечение.

Струны под станцией Амундсен-Скотт

Несмотря на то, что обсерватория располагается на Южном полюсе, детекторы собирают данные о космических нейтрино, приходящих со всех сторон света, в частности и из северного полушария. Толща Земли при этом выступает фильтром, отсекающим «лишние», или низкоэнергетичные частицы.

В 2014 году ученым из миссии IceCube удалось доказать, что внегалактические нейтрино достигают Земли. За первые три года работы обсерватория зафиксировала 37 нейтрино с энергией более 30 ТэВ — это в пять раз больше, чем энергия одного протона.

В сентябре 2017 года ученые впервые в истории зафиксировали нейтрино с исходной энергией в 230 ТэВ. Благодаря данным гамма-телескопа «Ферми» астрофизики обнаружили источник излучения — блазар TXS 0506+056, расположенный на расстоянии 4 млрд световых лет от Земли.

Скважина, ведущая в обсерваторию IceCube

Эти открытия объясняют важность изучения нейтрино — эти фундаментальные частицы позволят ученым исследовать космические тела, расположенные на расстоянии более 13 млрд световых лет. За пределами этого рубежа пространство заполнено нейтральными атомами водорода, которые поглощают видимый свет, однако нейтрино преодолевают это пространство свободно.

Super-Kamiokande и SNO

IceCube — не единственная нейтринная обсерватория. В конце прошлого века ученые из проектов «Супер-Камиоканде» (Super-Kamiokande) и SNO получили Нобелевскую премию за открытие свойств нейтрино. Эксперименты на детекторах, основанных на принципе фиксации черенковского излучения, показали, что эта фундаментальная частица имеет массу, отличную от нуля.

Гравитационно-волновые обсерватории

Колебания пространства-времени обнаружить очень сложно. Дело в том, что такие колебания, возникающие из-за изменения гравитационных полей, очень слабы, они не ощущаются органами чувств и не воспринимаются обычными приборами, в отличие от звука или радиосигнала.

Существование гравитационных волн предположил Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности. Физик-теоретик считал, что причиной возникновения таких колебаний становится ускорение массы во Вселенной, например, слияние или поглощение двумя крупными объектами друг друга. Волны позволяют определить размеры объектов и расстояние до них. На основе этих данных ученые могут воссоздать космические тела до их столкновения.

Впервые в истории гравитационную волну удалось зафиксировать ученым из коллаборации экспериментов LIGO/VIRGO — колебания пространства-времени возникли в результате слияния двух черных дыр и появления одной сверхмассивной вращающейся черной дыры.

Слияние двух черных дыр

LIGO/Virgo

LIGO работает по принципу интерферометра — обсерватория состоит из двух плеч протяженностью 4 км. В начале и в конце каждого из них на изолированных вибростолах установлены сверхтехнологичные зеркала, которые движутся в одной плоскости. Лучи лазера в каждом из плечей движутся из дальней точки и объединяются в центре.

Обсерватория LIGO

Идея, лежащая в основе эксперимента, заключается в том, что искажение пространства-времени, вызванное квадрупольной гравитационной волной, привело бы к тонкому удлинению одного из плеч при одновременном сокращении другого. Другими словами, если один из лучей прибывает с небольшим опозданием, срабатывает сигнал, который может свидетельствовать об обнаружении гравитационной волны.

Это удлинение крайне мало — в сентябре 2017 года физики из LIGO заметили сокращение длины лазера в плече на триллионную часть метра — примерно одну тысячную диаметра протона. Кроме того, разница во времени прибытия лазерных лучей составила всего 10 мс.

Virgo работает по тому же принципу и позволяет проверить данные LIGO. Сейчас оба проекта заморожены на неопределенный срок. На сегодняшний день LIGO и ее европейский партнер Virgo зафиксировали суммарно четыре гравитационных волны — в 2015 и 2017 годах.

Физики рассчитывают, что изучение гравитационных волн позволит понять причины сверхбыстрого вращения нейтронных звезд, изучить процесс слияния черных дыр.

eLISA

Ученые из НАСА и Европейского космического агентства (ESA) работают и над проектом гравитационно-волновой обсерватории в космосе — антенной eLISA. Аппарат, как и LIGO, будет работать по принципу интерферометра, однако луч лазера будет двигаться между зеркалами на астрономическом расстоянии. Это снизит частоту волн, воспринимаемых орбитальным аппаратом, на четыре-пять порядков по сравнению с LIGO.

Сейчас проект находится на стадии проектирования. Запуск космической антенны запланирован на 2034 год, рассчитанная продолжительность проекта — пять-десять лет.

Загрузка...