Нейтрино — одна из самых неуловимых частиц в космосе, уступающая только сверхзагадочной темной материи. Они участвуют в слабом ядерном взаимодействии и отвечают за ядерный синтез и распад.
Каждый раз, когда происходит что-то ядерное, участвуют нейтрино. Например, солнечное ядро представляет собой гигантскую реакцию ядерного синтеза, поэтому, естественно, оно производит довольно много нейтрино. Согласно прошлым исследованиям, если бы была возможность поднести большой палец к солнцу, примерно 60 млрд нейтрино будут проходить через ноготь большого пальца каждую секунду.
Но нейтрино так редко взаимодействуют с материей, что, несмотря на то, что триллионы и триллионы их проходят через ваше тело каждую секунду, за всю вашу жизнь общее количество нейтрино, которые действительно поразят ваше тело, составляет не более одного.
Нейтрино настолько призрачны и шипучи, что на протяжении десятилетий физики предполагали, что эти частицы совершенно не имеют массы и путешествуют по Вселенной со скоростью света. Последние исследования доказали, что нейтрино все-таки немного, но весят.
Точное количество массы является предметом активных научных исследований. Существует три вида нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Каждый из них участвует в разных видах ядерных реакций, и, к сожалению, все три типа нейтрино обладают странной способностью менять одну идентичность на другую по мере своего путешествия.
Масса нейтрино не имеет объяснения в стандартной модели физики элементарных частиц, нашей современной и лучшей теории фундаментальных взаимодействий. Таким образом, физики хотели бы сделать две вещи: измерить массы трех разновидностей нейтрино и понять, откуда берутся эти массы. Это означает, что им предстоит провести множество экспериментов.
Эксперимент Камиоканде в Японии, например, позволил обнаружить нейтрино, испускаемые сверхновой звездой 1987A. Для этого им понадобился чан с более чем 50 000 тонн воды.
Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде решила повысила планку. Эта обсерватория состоит из твердого кубического километра льда на Южном полюсе с десятками нитей приемников размером с Эйфелеву башню, погруженных на километр в лед. После десяти лет работы IceCube обнаружил одни из самых энергичных нейтрино за всю историю и сделал первые шаги к выяснению их происхождения.
Почему и Kamiokande, и IceCube используют так много воды? Детектором нейтрино может служить большой кусок практически чего угодно, но идеально подходит именно чистая вода. Когда один из триллионов пролетающих нейтрино сталкивается со случайной молекулой воды, она испускает короткую вспышку света. Обсерватории содержат сотни фоторецепторов, а чистота воды позволяет этим детекторам очень точно определять направление, угол и интенсивность вспышки. (Если бы в воде были примеси, то было бы трудно реконструировать, откуда исходила вспышка внутри объема).
Эти исследования подходят для поиска для обычных, «повседневных» нейтрино. Но самые энергичные нейтрино необычайно редки — при этом именно они являются самыми захватывающими и интересными, потому что они могут быть вызваны только самыми гигантскими событиями во Вселенной.
К сожалению, вся мощь IceCube после десятилетнего наблюдения смогла зафиксировать лишь горстку этих сверхмощных нейтрино. Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE), предложила превратить уединенный, но огромный кусок Тихого океана в нейтринный детектор. Предполагается, что длинные, километровые нити фотодетекторов опустят на дно океана, прикрепив к ним поплавки, чтобы детекторы стояли в воде вертикально, как гигантские механические водоросли.
В настоящее время конструкция P-ONE включает в себя семь 10-струнных кластеров, каждая из которых содержит 20 оптических элементов. Это в общей сложности 1 400 фотодетекторов, плавающих в Тихом океане на расстоянии нескольких километров. Когда нейтрино попадут в океанскую воду и произведут небольшую вспышку — детекторы смогут ее отследить.
Ученые отметили, что эксперимент потребует постоянной калибровки для корректировки всех переменных и надежного отслеживания нейтрино. Однако команда P-ONE занимается этим вопросом и уже планирует создать меньшую демо-версию из двух потоков в качестве доказательства концепции.
Читать далее
Ядро Земли остывает в 1,5 раза быстрее, чем считали ученые