Большая маленькая частица

Если бы их не было, их пришлось бы выдумывать, настолько они интересны. Но они, несомненно, существуют и вызывают все большую путаницу в физике. И чем больше путаницы и вопросов без ответов о них, тем больше желающих их исследовать. Так открывается золотой век физики нейтрино (1).

Их название — итальянское уменьшительное от слова «нейтрон». Географический след здесь не случаен, потому что Италия серьезно участвовала в процессе раскрытия их существования. Энрико Ферми, один из величайших физиков в истории. Из четырех фундаментальных сил во Вселенной нейтрино реагируют только на две — гравитацию и слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомов. Почти не имея массы, они распространяются в пространстве почти со скоростью света.

Огромное количество нейтрино образовалось в первые доли секунды после Большого взрыва. И с тех пор они непрерывно образуются — в ядрах звезд, в ускорителях частиц и атомных реакторах на Земле, при взрывах сверхновых и при распаде радиоактивных элементов.

По оценкам таких физиков, как Карстен Хигер из Йельского университета, нейтрино во Вселенной в среднем в миллиард раз больше, чем протонов.

Несмотря на их повсеместное присутствие, нейтрино в значительной степени остаются загадкой для физиков, потому что эти частицы очень трудно обнаружить. Они проходят через большую часть известной нам материи, как если бы ее не было, или как фотоны света, проходящие через прозрачное стекло в окне. На данный момент через каждый квадратный сантиметр каждого из нас проходит около 100 миллиардов нейтрино, хотя мы ничего не чувствуем.

«Я сделал ужасную вещь»

В конце XNUMX века ученые сосредоточили свое внимание на явлении, известном как ставка на разрыва, в котором атомное ядро ​​спонтанно испускает электрон.

Оказалось, что бета-распад нарушает два основных физических закона: сохранение энергии и сохранение импульса. Окончательная конфигурация частиц, казалось, содержала слишком мало энергии. Только в 1930 году физик Вольфганг Паули предложил теорию, согласно которой в этом процессе образуется лишняя частица, несущая с собой недостающую энергию и импульс.

В письме Паули того времени, адресованном «дорогим радиоактивным государствам», мы читаем, в частности:

«Я сделал ужасную вещь. Я постулировал необнаруживаемую частицу».

Он сослался на тот факт, что получившееся гипотетическое нейтрино было настолько летучим, что почти ни с чем не взаимодействовало и почти не имело массы.

В письме Паули смело предполагалось, что спектр бета-распада был уточнен при сохранении принципа сохранения энергии. Широкий разброс энергии бета-частиц от ядерного распада имел бы смысл, рассуждал ученый, если бы помимо электрона и ядра существовала еще и третья частица. Эта третья частица несет пучки энергии, которые также сильно различаются, и сумма энергий этой частицы, испущенного электрона и оторвавшегося от них обоих ядра (согласно закону сохранения импульса) составляет одну значимую величину.

Частица-призрак Паули не может иметь никакого электрического заряда, поэтому он предложил сначала назвать ее «нейтроном», который Энрико Ферми позже изменил на «нейтрино» (2), чтобы отличить ее от нейтрона (открытого Джеймс Чедвик в 1932 году). Паули беспокоила идея необнаружимой молекулы. Однако идея быстро прижилась.

2. Вольфганг Паули слева, Энрико Ферми справа, в центре — Вернер Гейзенберг. Фото 1927 года.

Конечно, концепция необнаруживаемой частицы беспокоила физиков, особенно экспериментаторов. Они немедленно начали копаться в теориях Паули и Ферми, чтобы выяснить, есть ли способ обнаружить нейтрино.

Задача непростая, потому что нейтрино крайне слабо взаимодействуют с остальными известными частицами, но в итоге Ганс Бете Ораз Рудольф Пайерлс они отметили, что теоретически должен быть возможен обратный бета-распаду — то есть поглощение ядром как нейтрино, так и электрона. Однако вероятность того, что это произойдет, крайне мала, и Пайерлс и Бете подсчитали, что нейтрино может легко пронзить весь земной шар, ни с чем не взаимодействуя.

Более четверти века спустя физики Клайд Коуэн Ораз Фредерик Рейнс они построили нейтринный детектор и разместили его рядом с ядерным реактором на АЭС Саванна-Ривер в Южной Каролине. В ходе их эксперимента удалось уловить несколько из сотен триллионов нейтрино, испускаемых реактором, и оба ученых с гордостью отправили Поли телеграмму, чтобы сообщить ему о подтверждении существования его частицы. В 1995 году Райнес получил Нобелевскую премию по физике. Коуэн умер до того, как это произошло.

С тех пор нейтринная физика прошла долгий путь и многое произошло. Рэй Дэвис i Масатоши Кошиба получил Нобелевскую премию по физике 2002 года за создание усовершенствованных детекторов нейтрино.

В случае Дэвиса это был 600-тонный резервуар с промышленной чистящей жидкостью в шахте, из которой каждые несколько месяцев химически выделялась горстка атомов аргона, образующихся при поглощении нейтрино атомом хлора в резервуаре.

Детектор Koshiby все еще разрабатывается и известен во всем мире. Камиоканде нейтринная обсерватория. Его первая версия содержала около 50 тысяч. тонн воды. Там показания считываются в режиме реального времени, потому что нейтрино, попадающие в ядра воды, генерируют крошечные вспышки света, улавливаемые фотоумножителями, окружающими резервуар с водой.

Более десяти лет спустя (в 2015 г.) Такааки Кадхита i Арт Макдональд были удостоены Нобелевской премии по физике за использование детектора Камиоканде и аналогичный эксперимент в Садбери, Онтарио, чтобы показать, что нейтрино, существующие в трех разных «запахах», колеблются между этими вариантами. Это открытие было чрезвычайно важным, поскольку оно подразумевает, что нейтрино все-таки должны иметь массу. Они должны испытать время, чтобы изменить «запах», и если что-то испытывает время, оно не движется со скоростью света. А частицы, не движущиеся со скоростью света, должны иметь массу.

В то же время эти открытия стали одним из наиболее документированных примеров «новой физики», т.е. явлений, которые невозможно объяснить в рамках действующей до сих пор теории. Стандартная модель. И это, прежде всего, привело к постоянному сильному росту интереса к исследованию этих загадочных частиц.

Согласно Стандартной модели, нейтрино не должно иметь массы. Так как оказалось, что некий у них есть, хоть и немного, но до сих пор неизвестно, откуда они его взяли. Остальные частицы в Стандартной модели набирают массу, взаимодействуя с Поле Хиггса. Чем сильнее она сопротивляется частице, тем больше будет ее масса. Однако это не относится к нейтрино. Следовательно, исследование происхождения этой массы требует новой физики, нового образа мышления.

прежде всего Нейтрино не имеет единой фиксированной массы (хотя мы знаем, что она не равна нулю), а вместо этого состоит из комбинации трех возможных масс. Кроме того, ученые не уверены, каково значение каждой из этих трех масс, и какова их иерархия..

Нормальная иерархия для частиц — это две легкие массы и одна более тяжелая масса, а перевернутая иерархия — две тяжелые массы и одна более легкая масса. Научные опыты установили, что самые тяжелые из них должны иметь 0,0000059 масса электрона.

Нейтрино постоянно ускользают от ученых. Солнце производит колоссальное количество нейтрино, бомбардирующих Землю (3). В середине XNUMX-го века исследователи построили детекторы для поиска этих нейтрино, но их эксперименты по-прежнему показывали расхождения, обнаруживая лишь около трети предсказанных частиц. Либо что-то было не так с солнечными моделями, разработанными астрономами, либо происходило что-то странное.

В конце концов физики поняли, что нейтрино могут иметь три разных «запаха» или типа. Обычное нейтрино называется электронным нейтрино, но есть и два других «запаха»: мюонное нейтрино и таонное нейтрино.

По мере того, как нейтрино проходят расстояние от Солнца до нашей планеты, нейтрино колеблются между этими тремя типами, так что в этих ранних экспериментах, предназначенных для поиска только одного типа, отсутствовали две трети их общего числа.

Когда нейтрино сталкивается с атомом в детекторе, который мы построили, он только создает частицы нужного типа. Это означает, что электронные нейтрино будут создавать только электроны, мюонные нейтрино — только мюоны и т. д. Это было подтверждено в эксперименте 60-х годов, когда нейтрино, образованные таонами, производили только тонны, показывая что-то вроде памяти о месте своего рождения.

Нейтрино (ν) — элементарная частица, принадлежащая лептонам. Это фермион со спином, равным ½, и нулевым электрическим зарядом. Нейтрино — фундаментальные частицы Стандартной модели. Эксперименты, проведенные в последние годы, показывают, что они имеют массу покоя, близкую к нулю, но не равную нулю. Вероятно, у каждого типа нейтрино есть аналог (антинейтрино) в антивеществе. Электронное антинейтрино образуется при распаде β–.

Существует три состояния запаха нейтрино:

ν_e — электронное нейтрино,

ν_μ — нейтринное мионоу,

ν_τ — нейтрино таонова.

При распространении в пространстве нейтрино могут менять свой тип («запах») — явление, известное как нейтринные осцилляции.

Путешествие по Японии

По мнению некоторых ученых, нейтрино могут помочь ответить на действительно важный вопрос: почему что-то вообще существует или почему существует что-то, а не ничего.

Космос наполнен материей. Его аналог, антиматерияостается гораздо менее распространенным. Но на ранних стадиях Вселенной они оба существовали в равной степени. Поскольку частицы вещества и антивещества аннигилируют друг друга при соприкосновении, в результате Вселенная должна была бы остаться «живой», наполненной только энергией. Чтобы он сформировался таким, каким мы его знаем, что-то должно было нарушить баланс. Ученые во многих новых экспериментах проверяют, ответственны ли за это нейтрино.

Гипотетическое равновесие материи и антиматерии, ведущее к Вселенной, полной только излучения, описывается как CP-симметрия. В настоящее время считается, что в первые моменты существования Вселенной в ее разрушение вносили вклад не только адроны (например, протоны и нейтроны), но и в значительной степени нейтрино и антинейтрино.

Чтобы выяснить, нарушают ли нейтрино СР, и если да, то каким образом, исследователи предприняли интересный эксперимент, известный как T2K (Токай-то-Камиока). Четыре года назад на ускорителе J-PARC недалеко от города Токай на востоке Японии нейтрино испускались под землей, сквозь скалы, в сторону Камиока, лежащего на западе Японии — примерно в 300 км. Там, в свою очередь, 1 км под землей, он находится сегодня Детектор Супер-Камиоканде. Частью его нынешней версии является огромный резервуар для воды диаметром 40 м и высотой 40 м.

Почему нейтрино заставляют преодолевать такие большие расстояния? Во время поездки они могут колебатьсяа это значит, что они меняют свой «запах», становясь попеременно электронными, мюонными или тау-нейтрино. То же самое верно и для антинейтрино. Пучки T2K первоначально состояли из мюонных нейтрино или антимюонных нейтрино. Исследователи подсчитали, как часто частицы превращались в электронные нейтрино или электронные антинейтрино. Данные, собранные за почти десятилетие, показывают, что нейтрино колеблются больше, чем ожидалось, а антинейтрино меньше, чем ожидалось, что является признаком нарушения СР.

— прокомментировал физик эти результаты в СМИ Джонатан Линк из Технологического института Вирджинии в Блэксбурге.

Он был великолепен — он будет Гипер

Япония в настоящее время планирует построить самый большой детектор нейтрино в истории. Гипер-Камиоканде, который должен вместить 260 тыс. тонн сверхчистой воды, что более чем в пять раз больше, чем в Супер-Камиоканде (4). Новый детектор будет построен внутри гигантской пещеры, которая будет выкопана рядом с шахтой Hida City в Камиоке. Физики надеются, что это принесет новаторские открытия об этих частицах.

Огромные размеры Гипер-Камиоканде (Гипер-К) позволят обнаружить беспрецедентное количество нейтрино, производимых различными источниками — включая космические лучи, Солнце, сверхновые и пучки, искусственно создаваемые ускорителями частиц.

Помимо захвата нейтрино, он также будет отслеживать воду на предмет возможного спонтанного распада протонов в ядрах, что станет революционным открытием, если оно будет обнаружено.

Место в Камиоке было выбрано несколько десятилетий назад из-за остатков добычи и высокого качества горных пород, а также обильного запаса пресной воды. Как и в случае с Super-K, резервуар для воды внутри Hyper-K будет оснащен чувствительными детекторами света, называемыми фотоумножителями. Они будут фиксировать слабые вспышки, испускаемые при столкновении нейтрино с атомом в воде, в результате чего заряженная частица вылетает с высокой скоростью.

Hyper-Kamiokande станет одной из трех основных установок для обнаружения нейтрино, которые планируется ввести в эксплуатацию в этом десятилетии. Два других Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь (JUNO), которую Китай планирует запустить в 2021 году, и эксперимент, финансируемый несколькими странами. Глубокий подземный нейтринный эксперимент (DUNE) стоимостью 1,5 миллиарда долларов планируется запустить в 2024 году, а полностью ввести в эксплуатацию к 2027 году. Другие американские эксперименты, предназначенные для раскрытия секретов нейтрино, включают ПРОСПЕКТв Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, и Нейтринная программа с короткой базой в Фермилабе, штат Иллинойс.

В ожидании дебюта нейтрино на коллайдере

Эксперименты на ускорителе нейтрино предназначены для поиска осцилляций нейтрино путем создания одного пучка нейтрино с «запахом» и измерения его на большом расстоянии.

Пучки нейтрино обычно производятся путем запуска пучка протонов высокой энергии. Взаимодействия протона с мишенью производятся адронами, такими как стояки i каоникоторые фокусируются магнитными алюминиевыми рожками и направляются в длинные туннели, где они трансформируются в нейтрино и другие частицы. Чтобы надежно измерить осцилляции нейтрино, ученым, работающим над этими экспериментами, необходимо оценить количество нейтрино в пучке до осцилляции и то, как это число изменяется с энергией частиц.

Этот «поток нейтрино» трудно оценить, потому что нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами и не могут быть легко измерены. Чтобы обойти это, исследователи вместо этого оценивают количество адронов. Но измерить количество адронов также сложно, потому что их слишком много, чтобы точно измерить.

Вот такие эксперименты NA61 / SHINE w Синхротрон ЦЕРН. NA61/SHINE может воссоздать взаимодействия протона с мишенью, которые генерируются адронами, превращающимися в нейтрино. Коллаборация NA61/SHINE ранее измерила экспериментально сгенерированные адроны при энергии протонов 31 ГэВ/c (где c — скорость света), чтобы помочь предсказать поток нейтрино в японском эксперименте T2K. В рамках сотрудничества также были собраны данные по энергии 60 и 120 ГэВ/c, которые будут использованы для проведения МИНЕРНА, НОНА эксперименты i ДЮНА в Фермилаби, в США.

— заявила она в пресс-релизе. Лаура Филдс, участник группы NA61/SHINE и сопредседатель MINERnA.

—

Нейтрино, произведенное в коллайдере частиц, никогда не было обнаружено, хотя ускорители производят их в огромных количествах. Теперь это может измениться после того, как новый детектор будет одобрен для эксперимента. ФАЗЕР в ЦЕРН. Небольшой и недорогой детектор под названием ФАЗЕРν будет размещен перед основным детектором эксперимента FASER и может открыть новую эру в физике нейтрино на коллайдерах частиц.

Почему до сих пор не обнаружено нейтрино в столкновениях? Во-первых, нейтрино очень слабо взаимодействуют с другим веществом. Во-вторых, краш-детекторы их не регистрируют.

Нейтрино столкновений с самой высокой энергией, которые с большей вероятностью взаимодействуют с материалом детектора, производятся в основном вдоль линии луча — линии, которая проходит через пучки частиц в коллайдере. Однако типичные детекторы столкновений имеют отверстия вдоль линии луча, через которые проходят лучи, поэтому они не могут обнаружить эти нейтрино.

FASER будет размещен вдоль линии луча Большой адронный коллайдер (LHC), около 480 м от эксперимента ATLASпоэтому он будет идеально расположен для обнаружения нейтрино. FASERν (5) имеет ширину всего 25 см, высоту 25 см и длину 1,35 м, но весит 1,2 тонны. Самые известные нейтринные детекторы обычно намного крупнее, такие как Супер-Камиоканде или Детектор IceCube на Южном полюсе, который имеет объем 1 км³.

5. Расположение детектора FASERn на БАК

После проверки способности FASER обнаруживать нейтрино и проведения предварительных испытаний с пилотными детекторами в 2018 году команда подсчитала, что FASERv может обнаруживать более 20 тысяч нейтрино одновременно. Они будут иметь среднюю энергию от 600 ГэВ до 1 ТэВ, в зависимости от типа нейтрино. Детектор FASERv будет установлен до следующего запуска LHC в 2021 году.

В ЦЕРН запланирован еще один эксперимент — ЛЕГЕНДА-200, инаугурация которого намечена на 2021 год, — будут искать названный феномен безнейтринный двойной бета-распад. Два нейтрона из ядра атома распадаются одновременно на протоны, выбрасывая электрон и нейтрино, которые вступают в контакт с другим нейтрино и аннигилируют. Если бы такая реакция существовала, нейтрино оказались бы сами по себе античастицами, о чем будет сказано ниже.

Наконец, измерьте их массу.

— заметила она Дебора Харрис, физик из Фермилаб и Йоркского университета в Торонто.

Физики давно пытались взвесить частицу духа. В сентябре прошлого года, после восемнадцати лет планирования, строительства и калибровки, авторы эксперимента Карлсруэ Тритий Нейтрино (KATRIN) на юго-западе Германии объявили о своих первых результатах измерений. В релизе говорится, что нейтрино не может весить более 1,1 электрон-вольта (эВ), или около одной пятисотой массы электрона. Эта предварительная оценка, основанная на данных, собранных всего за один месяц работы, изменяет результаты предыдущих измерений с использованием аналогичных методов, где верхний предел массы нейтрино составлял 2 эВ. По мере сбора новых данных KATRIN (6) должен определять истинную массу частицы, а не только верхний предел.

6. Тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ.

Согласно последним данным об осцилляциях нейтрино (которые выявляют различия между массовыми состояниями, а не их действительными значениями), если самое легкое массовое состояние равно нулю, то самое тяжелое должно быть не менее 0,0495 эВ. На основании опыта нейтринных осцилляций в эксперименте Супер-Камиоканде было определено, что разница между нейтринными «запахами» составляет около 0,04 эВ. Следовательно, это нижний предел массы для одного из типов («запахов») нейтрино. Верхний предел был оценен в 0,28 эВ во время космологических исследований (например, фоновое излучение, выход из галактики).

Недавние космологические данные Планка предполагают, что сумма трех состояний массы нейтрино не может быть больше 0,12 эВ, а в августе другой анализ космологических наблюдений показал, что самая легкая масса должна быть меньше 0,086 эВ. Все эти состояния значительно ниже верхнего предела KATRIN, поэтому противоречия между этими двумя подходами пока нет. Но по мере того, как KATRIN собирает больше данных, могут возникнуть расхождения. Эксперимент KATRIN взвешивает нейтрино с использованием трития, тяжелого изотопа водорода. Когда тритий подвергается бета-распаду, его ядро ​​испускает электрон и нейтрино с электронным ароматом. Измеряя энергию электронов, потребляющих больше всего энергии, физики могут вывести энергию и, следовательно, массу (фактически средневзвешенную массу трех компонентов) электронного нейтрино.

Масса нейтрино также имеет космическое значение. Во время Большого взрыва родилось так много нейтрино, что коллективная гравитация нейтрино повлияла на то, как вся материя во Вселенной объединилась в звезды и галактики.

Если KATRIN обнаружит массу около 0,2 или 0,3 эВ, космологам будет трудно согласовать свои наблюдения, считает он. Марилена Ловерде, космолог из Университета Стоуни-Брук. Тогда одним из возможных объяснений было бы включение какого-то нового явления, которое приводит к тому, что космологическое влияние массы нейтрино со временем исчезает. Возможно, например, нейтрино распадается на еще более легкие неизвестные частицы, скорость которых близка к скорости света, что делает их неспособными склеивать материю. Или, возможно, механизм, придающий нейтрино массу, менялся на протяжении всей истории космоса.

И наоборот, если масса нейтрино близка к тому, что предсказывается космологическими наблюдениями, KATRIN не будет достаточно чувствителен для ее измерения. Он может взвешивать нейтрино только до 0,2 эВ. Если нейтрино легче, физикам потребуются более чувствительные эксперименты. Три потенциально более чувствительных проекта в этом отношении: Проект 8, эксперимент Выбросил с захватом электронов с использованием изотопа гольмия 163Ho в Гейдельбергском университете и Европейском эксперименте по массе нейтрино, ХОЛМСА.

Обыкновенные или майорановские фермионы?

Чтобы объяснить структуры, которые мы видим во Вселенной, нам нужно огромное количество темной материи — примерно в пять раз больше, чем всей обычной материи, к которой у нас есть доступ. И чтобы определить, как со временем менялись темпы расширения Вселенной, нам нужна загадочная форма энергии, специфичная для самого пространства, которая в два раза больше (с точки зрения энергии) всех остальных форм вместе взятых — темная энергия.

Эти загадки, наряду с вышеупомянутой проблемой антиматерии, являются величайшими космологическими проблемами XNUMX-го века, и нейтрино за пределами Стандартной модели могут их объяснить.

Разница в массах между электроном, самой легкой нормальной частицей в Стандартной модели, и самым тяжелым из возможных нейтрино составляет более четырех миллионов — разница даже больше, чем между электроном и верхний кварк. Когда мы говорим о нейтрино, странности и аномалии множатся. Каждое наблюдаемое нами нейтрино является левосторонним (т. е. импульс и спин частицы имеют противоположные направления). С другой стороны, каждое антинейтрино движется по часовой стрелке (импульс и спин частицы имеют одинаковое направление).

В каждом другом существующем фермионе существует симметрия между молекулами и античастицами, включая равное количество левых и правых типов. У нейтрино нет правого, регулярного типа частиц и левого, античастичного типа. Это странное свойство предполагает, что нейтрино фермионами майораны (а не дираковские нормальные), т.е. они ведут себя как свои собственные античастицы.

Можно доказать, что нейтрино являются майорановскими фермионами, если мы сможем осуществить и наблюдать вышеупомянутый двойной нейтрино-нейтральный бета-распад — вид, который ищет эксперимент LEGEND-200. В 1937 году Джулио Раках 1938 г.р. Венделл Х. Фурри независимо друг от друга они предположили существование двойного бета-распада без испускания нейтрино. В этом процессе два нейтрона превратятся в два протона с испусканием двух электронов, но без испускания каких-либо нейтрино. Однако этот процесс мог бы иметь место, если бы нейтрино обладали иными свойствами, чем в Стандартной модели, поскольку существование процесса, нарушающего принцип сохранения лептонного числа, этой моделью запрещено. Помимо того, что нейтрино являются античастицами сами по себе, для такого распада им нужна масса, как мы уже знаем.

Наблюдение такого распада было бы равносильно открытию новой элементарной частицы. Майорановские частицы. Это также создало бы возможность измерения массы нейтрино и определения их иерархии. Открытие было бы не менее важным, чем открытие бозон Хиггса и более значительным, чем открытие механизма нейтринных осцилляций.

Он ищет загадочный распад в подземной лаборатории в Детектор ГЕРДА (GERmanium Detector Array) в Гран-Сассо, Италия, международная группа ученых. Хотя желаемое явление еще не наблюдалось, на основе полученных данных исследователи могут все больше уменьшать массу нейтрино. Это позволяет, среди прочего на постепенном исключении теоретических моделей, предсказывающих эволюцию Вселенной, связанных с определенной иерархией масс нейтрино.

Стоит упомянуть так называемую гипотезу. тяжелые нейтрино, Модель лептогенез постулирует нарушение СР-симметрии в распадах тяжелых частиц, которые спариваются с нейтрино («легкие» нейтрино). Механизм качания обеспечивает нас этими тяжелыми частицами — тяжелыми нейтрино. Обнаружение нарушения СР-симметрии в осцилляциях легких нейтрино является важным аргументом в пользу модели лептогенеза в связи с их связью через механизм свинга с тяжелыми нейтрино. Более того, существование тяжелых нейтрино является «простым» расширением Стандартной модели. Тяжелые нейтрино также являются отличными кандидатами на роль темной материи, если они, конечно, существуют.

Более известной альтернативой концепции тяжелых нейтрино является гипотеза стерильных нейтрино. Это имя гипотетической элементарной частицы, способной создавать темную материю.

Иногда стерильные нейтрино рассматривают как четвертое поколение нейтрино (рядом с электронными, мюонными и тау-нейтрино). Его характерной особенностью является то, что он взаимодействует с веществом только под действием силы тяжести. Они отмечены символом ν_s (7).

Нейтринные осцилляции теоретически могут сделать мюонные нейтрино стерильными, что уменьшит их количество в детекторе. Это особенно вероятно после того, как пучок нейтрино прошел через область вещества с высокой плотностью, такую ​​как ядро ​​Земли. Именно поэтому детектор IceCube на Южном полюсе (8) использовался для наблюдения нейтрино, приходящих из Северного полушария в диапазоне энергий от 320 ГэВ до 20 ТэВ — ожидался четкий сигнал при наличии стерильных нейтрино. Анализ данных наблюдаемых событий позволил исключить существование стерильных нейтрино в доступной области пространства параметров с доверительной вероятностью 99%.

8. Визуализация регистрации нейтрино в детекторе IceCube Antarctic

В последнее время ученые из гораздо более скромного Эксперимент с мини-ускорителем нейтрино (MiniBooNE) в Фермилабе (9) предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили стерильное нейтрино. Эта находка подтверждает более раннюю аномалию, замеченную в сцинтилляционный детектор жидких нейтрино (LSND), эксперимент в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико.

— — объяснил важность предварительных результатов на сайте «Живая наука» Кейт Шолберг из Университета Дьюка, физик, специализирующийся на физике элементарных частиц.

9. Визуализация эксперимента MiniBooNE в Fermilab

На заре Вселенной (10) известные нейтрино, которых, как мы упоминали, было очень много, должны были производить горячую темную материю, которая двигалась бы с большой скоростью, препятствуя тем самым формированию определенных структур в ранней Вселенной. . Таким образом, хотя нейтрино могут объяснить некоторые формы темной материи, по оценкам, они составляют 1,5% или меньше. Остальные эффекты холодной темной материи должны исходить от нового типа молекул — стерильных нейтрино.

10. Состав Вселенной сегодня и на заре

Стерильное нейтрино называется так потому, что, в отличие от своих собратьев — слабо, но все же — взаимодействующих с веществом, оно вообще с ним не взаимодействует, даже в плане слабых взаимодействий. Z-бозон, который частично отвечает за слабое ядерное взаимодействие, со временем распадается на нормальные нейтрино, когда образуется при столкновении частиц. Однако он не распадется на стерильные нейтрино.

Полное количество нормальных нейтрино вместе с их стерильными аналогами объяснило бы всю темную материю во Вселенной.

И они могут быть еще более интригующими

Если вы думаете, дорогие читатели, что на этом нейтронные загадки закончились, то вы ошибаетесь. Список секретов должен быть зарегистрирован сначала в 2013-2014 годах, а затем в 2017 году детектором IceCube нейтрино огромной энергии.

Наука не может с уверенностью указать процесс, ответственный за их образование. С другой стороны Шелдон Глэшоу, лауреат Нобелевской премии 1979 года, предсказывает, что, согласно Стандартной модели, мы должны регистрировать еще более энергичные нейтрино с энергиями до 6,4 ПэВ, возникающие в результате столкновения нейтрино с электронами. Почему этого не происходит?

Некоторые физики считают, что с такой огромной энергией нейтрино имеют чрезвычайно короткую длину волны, связанную с ними, что означает, что они взаимодействуют с квантовыми «пикселями» в пространстве-времени, теряя энергию в своего рода трении с этой фундаментальной тканью вселенной. Из этих предположений вырисовывается зацепка объединение теории Эйнштейна и квантовой механики. И именно нейтрино ведут нас к этому.

В 2017 году ученые заметили высокоэнергетическое нейтрино, прорезающее антарктический лед. Они проследили его происхождение до места, где он родился. Это стало возможным потому, что нейтрино могут перемещаться по прямой во Вселенной на очень большие расстояния, не отклоняясь от своего курса, потому что они не взаимодействуют с веществом или взаимодействуют с ним очень слабо.

Оказалось, что это имеет решающее значение для точного определения источника нейтрино высоких энергий. орбитальная обсерватория GLAST (Космический гамма-телескоп Ферми), оснащенный детектором гамма-излучения. Сопоставив отчеты IceCube с данными GLAST, ученые быстро связали сверхактивное нейтрино с внезапной вспышкой гамма-излучения в созвездии Ориона, которое находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от нас, основываясь на красном смещении. Есть много указаний на то, что турбонейтрино IceCube-170922A, потому что они помечены как таковые, был выдан представителем малоизвестного класса объектов, называемого блазарами. Это своего рода очень активная галактика с ненасыщенной сверхмассивной черной дырой в ее ядре и большим количеством вещества, попадающего в нее. Члены команды IceCube и GLAST считают, что захваченное нейтрино, возможно, образовалось в аккреционном диске блазара TXS 0506 + 056, окружающем черную дыру, а затем было запущено к нам в качестве пассажира в струе вещества и энергии.

Ученые считают, что странные частицы могут содержать ключ к величайшим загадкам Вселенной, в том числе к тому, почему материя победила антиматерию после Большого взрыва. Для этого их необходимо сочетать — как и в вышеупомянутых исследованиях блазаров — с исследованиями в других областях, включая электромагнитный спектр и с помощью гравитационных волн.

Использование потенциала нейтрино позволило бы также проверить многие тезисы о происхождении и раннем периоде существования всей Вселенной. Велика вероятность того, что, кроме остаточного электромагнитного излучения, они пересекают и современное космическое пространство. реликтовые нейтрины — первые беглецы из древнего ада. Космологи мечтают создать в будущем новую нейтринную карту зарождающейся Вселенной, преодолев наблюдательную цезуру в 380 XNUMX. лет, что ограничивает нас при изучении реликтового излучения, т.е. микроволнового фонового излучения.

Важно отметить, что для того, чтобы узнать об «индивидуальных» особенностях нейтрино, нам не нужно ждать, пока они придут к нам от Солнца или далекого блазара. Вы можете сделать их здесь, на Земле. В 2018 году Министерство энергетики США официально одобрило проект модернизации ускорителя PIP-II в Фермилабе. Это обеспечит повышенную мощность луча для генерации нейтринного потока. Модернизация является неотъемлемой частью вышеупомянутого эксперимента DUNE, который требует огромного количества нейтрино для изучения загадочной частицы до мельчайших деталей.

Переключают ли физики свои интересы на нейтрино из-за тупика и беспомощности, царящих в мейнстримных исследованиях элементарных компонентов материи и Вселенной?

Возможно. Не видя решений головоломок или даже перспективы их найти, они меняют путь своих поисков. Если нейтрино должны привести к ожидаемым ответам, в этом нет ничего неправильного или неправильного. Ведь вопросы примерно одинаковые.

Смотрите также: