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

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

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Астрономы сфотографировали «детство Вселенной» до появления галактик
Космос
Прощальные кадры: лунный модуль сфотографировал закат на Луне
Наука
Гены загадочных предков людей повлияли на работу мозга, показало исследование
Наука
В Петербурге открыли лабораторию для создания компьютеров, которые имитируют работу мозга
Наука
Телескоп «Евклид» показал 26 млн галактик: опубликованы первые результаты миссии
Космос
Крошечных морских животных увеличили в пять раз, чтобы рассмотреть их клетки
Наука
В Сеченовском Университете появится «умная» операционная 
Новости
Операторы связи начали заменять китайское оборудование на российское
Новости
В России хотят обязать использование отечественных процессоров для ИИ
Новости
Посмотрите на первого робота-гуманоида Nvidia в действии
Новости
Образцы с обратной стороны Луны показали, какой она была в прошлом
Космос
Морские интернет-кабели научились «прослушивать» на предмет саботажа
Новости
Нового рекорда на термоядерном синтезе добились в России
Наука
Российские ученые разработали материалы для памяти будущего  
Наука
Выяснилось, какие мутации ДНК ускоряют старение  
Наука
«Суперджет» с российскими двигателями ПД-8 впервые поднялся в воздух
Новости
Светочувствительные нановолокна ускорили рост нейронов  
Наука
ChatGPT может «заболеть» тревожностью и депрессией, но есть способ его «успокоить»  
Новости
Москва сократила выбросы углерода на 190 000 тонн благодаря электробусам  
Новости
Игуаны совершили рекордное путешествие миллионы лет назад: они проплыли по океану 8 000 км
Наука