Кейсы 25 марта 2023

«Частицы-призраки» получилось создать на Земле: что о них известно и почему это важно

Далее

Сигнатуры нейтрино предварительно обнаружили на Большом адронном коллайдере в 2021 году. Теперь физики подтвердили, что они реальны. «Хайтек» рассказывает, почему это важно.

Физики впервые создали и обнаружили высокоэнергетические «частицы-призраки» внутри крупнейшего в мире ускорителя атомов. Полученные данные могут помочь раскрыть секреты превращения звезд в сверхновые. 

Что такое нейтрино?

Название нейтрино созвучно со словом «нейтрально» не просто так. У них нулевой электрический заряд и почти нулевая масса. Это значит, что они почти не взаимодействуют с другими типами материи. Нейтрино называют призрачными частицами не просто так — они не меняясь «пролетают» сквозь обычную материю со скоростью, близкой к скорости света. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр тела человека проходит около 100 млрд нейтрино.

Откуда появились нейтрино?

Нейтрино — космические странники. Некоторые из них возникают в результате ядерных реакций на Солнце, когда атомы сливаются глубоко внутри звезды. Они высвобождают нейтрино, которые уносятся прочь от звезды за считанные секунды. Некоторые призрачные частицы появляются в результате ядерного деления здесь, на Земле, например, в ядерных реакторах. По данным Министерства энергетики США, даже разлагающийся калий внутри банана может испускать нейтрино.

Впервые нейтрино обнаружили при вылете из ядерного реактора в 1956 году. После фотонов они считаются самыми распространенными субатомными частицами во Вселенной.

Два нейтрино. Фотография сделана 4 июля 1959 года, NARA & DVIDS Public Domain Archive — GetArchive

Но, несмотря на их повсеместное распространение, минимальное взаимодействие беззарядных и почти безмассовых частиц с другим веществом делает их невероятно трудными для обнаружения. Чтобы поймать их, ученые и инженеры строят по всему миру нейтринные детекторы. Самый знаменитый из них — IceCube Neutrino Observatory, который находится на Южном полюсе.

Он и другие известные эксперименты по обнаружению нейтрино, такие как японский детектор Super-Kamiokande, MiniBooNE Fermilab обнаружили нейтрино, генерируемые солнечными лучами.

Самые «важные» нейтрино

Больше всего ученых интригуют нейтрино высоких энергий. Они рождаются при слиянии звезд, рождении сверхновых и когда частицы из глубокого космоса врезаются в атмосферу Земли. Эти высокоэнергетические призраки до сих пор оставались загадкой для ученых.

Теперь физики обнаружили нейтрино с помощью детектора FASER на Большом адронном коллайдере (БАК) — крупнейшем в мире ускорителе частиц, расположенном в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы, Швейцария. Ученые представили результаты исследования на 57-й конференции Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories в Ла Туиле, Италия. «Мы обнаружили нейтрино из совершенно нового источника — коллайдеров частиц — где два луча частиц сталкиваются друг с другом при чрезвычайно высокой энергии», — заявил Джонатан Фенг, физик из Калифорнийского университета в Ирвине и сопредседатель FASER Collaboration.

Эксперимент FASER

Forward Search Experiment (FASER) — детектор частиц, разработанный и построенный международной группой физиков из ЦЕРНа. В то время как детекторы частиц в ЦЕРН славятся своей высотой в несколько этажей и весом в тысячи тонн, FASER является исключением.

FASER весит около тонны и помещается в небольшом боковом туннеле ЦЕРНа. Интересно, что его разработали всего за несколько лет, и в нем используются запасные части от других экспериментов, проводимых на объекте.

FASER

В воскресенье ученые команды FASER объявили на конференции в Италии, что они успешно обнаружили нейтрино после столкновения двух пучков частиц с чрезвычайно высокой энергией внутри БАК.

Помимо нейтрино, проект FASER также нацелен на темную материю. Темная материя, которая, как считается, присутствует в большей части материи во Вселенной, никогда раньше не обнаруживалась. Как и в случае с нейтрино, FASER также может стать первым экспериментом, который поможет обнаружить темную материю, когда в ЦЕРН начнется новый раунд столкновений частиц через несколько месяцев.

Как физикам это удалось?

Чтобы поймать «субатомных призраков», физики построили ловушку для обнаружения частиц: плотные металлические пластины из свинца и вольфрама, прослоенные несколькими слоями обнаруживающей свет эмульсией. Когда мощные пучки протонов сталкивались внутри БАК, они производили поток побочных частиц, небольшую долю которых составляли нейтрино. Они врезались в атомные ядра в плотных металлических пластинах и распадались на другие частицы. Эмульсионные слои работали так же, как старомодная фотопленка — реагируя с побочными продуктами нейтрино, они отпечатывали прослеживаемые очертания частиц, когда нейтрино проносились сквозь них.

Работая с эту пленкообразной эмульсией и анализируя следы частиц, физики выяснили, что некоторые из меток появились в результате воздействия струй частиц, созданных нейтрино, когда они прошли через пластины. Ученые даже определили, какой из трех «ароматов» частиц нейтрино — тау, мюон или электрон — они обнаружили.

Шесть нейтрино, обнаруженных в ходе эксперимента, впервые идентифицировали в 2021 году. Физикам потребовалось два года, чтобы собрать достаточно данных и подтвердить, что это именно они. Теперь ученые надеются найти гораздо больше нейтрино и планируют использовать их для исследования сред по всей Вселенной, где образуются высокоэнергетические частицы-призраки.

Почему это так важно?

«Эти нейтрино очень высокой энергии в БАК важны для понимания действительно захватывающих наблюдений в астрофизике элементарных частиц», — Джейми Бойд, физик ЦЕРН и сопредседатель FASER. С помощью новых открытий физики надеются объяснить, как звезды горят и взрываются; как высокоэнергетические взаимодействия нейтрино приводят к образованию других частиц в космосе.

Читать далее:

Ученые считают, что форма Вселенной не такая, как все думают

Вертолет НАСА показал закат на Марсе. Он не похож на земной

Названо растение, чей экстракт помогает похудеть без побочных эффектов