Велике свято на вулиці маленького нейтрино

Минулого тижня відбулося як мінімум три важливі події у фізиці нейтрино, які пригорнули до себе підвищену вчених і ЗМІ. Земля пройшла крізь нейтринний шторм, виявлені геонейтрино і запрацювала найбільша нейтринна установка.

Нейтринний феєрверк

Дослідники, що працюють на нейтринному детекторі IceCube, розташованому поблизу Південного полюса і представляє собою кубічний кілометр льоду, повідомили про надзвичайно потужний з енергетичної точки зору нейтринний вітер, що дме на нашу планету, точніше, на Сонячну систему. Серед півсотні спійманих галактичних гостей їм вдалося зареєструвати нейтрино, котрі мали небачену до цього енергію: 5000-10000 трильйонів електронвольт. На Великому адронному колайдері частинки розганяються до енергій приблизно в тисячу разів менше.

Нейтринна обсерваторія IceCube в Антарктиді

Нейтринна обсерваторія IceCube в Антарктиді. Фото: Wikipedia

Що за диявольський катаклізм породив цей божевільний нейтринний ураган, залишається тільки гадати: привіт від далекої наднової, відрижка чорної діри або ще щось, про що ми поки навіть і гадки не маємо? Фізики нейтринної обсерваторії IceCube стверджують, що по треках частинок, які народжуються при зіткненні нейтрино з атомом, вони здатні обчислити напрямок на джерело з точністю до півградуса, тому будемо сподіватися, що люди з телескопами розберуться з цим питанням.

Крім того, в Національній лабораторії прискорювачів імені Фермі (у просторіччі «Фермілаб») на запущеній в лютому минулого року установці NOvA (Neutrinos from the Main Injector Off-Axis Electron Neutrino Appearance) фізики зареєстрували осциляцію нейтрино в пучку, що пройшов близько 800 кілометрів від нейтринної гармати в Батавії, штат Іллінойс, де розташована лабораторія Фермі, до детектора в Мінесоті поблизу річки Еш-рівер. Практично одночасно із італійської нейтринної обсерваторії Гран-Сассо повідомили про впевнену реєстрацію так званих геонейтрино, тобто нейтрино, які народжуються в надрах планети, що відкриває нам можливість лоціювати всі основні поклади радіоактивних ізотопів, що зберігаються там.

Болід, автобус, велосипед

Нейтрино, теоретично передбачене Вольфгангом Паулі ще в 1930-му році, а незабаром отримало від Енріко Фермі своє італійське ім'я - «маленький нейтрон» - досі залишається однією з найзагадковіших і популярних у фізиків елементарних частинок. Спочатку постулювалося (і, до речі, постулюється досі Стандартною моделлю, про що мова нижче), що ця частинка, як і фотон, позбавлена ​​маси. Потім з'ясувалося, що маса все-таки є, але надзвичайно маленька, та на додачу є три різновиди цієї частинки, які відрізняються один від одного своїм «ароматом» - тау-нейтрино, електронне і мюонне, названих так, оскільки вони народжуються в розпадах за участю, відповідно, тау-лептонів, електронів і мюонів. І всі вони відрізняються один від одного масою спокою. Нейтрино - найпоширеніша елементарна частинка у світі нормальною (тобто не темної) матерії. Можна сказати, що наш світ складається з нейтрино, ну, і невеликої кількості всіх інших частинок. Нейтрино переміщаються зі швидкістю, дуже близькою до світлової, беруть участь тільки в слабкій взаємодії з радіусом дії не більше радіуса протона, тому вони практично не спілкуються з іншими елементарними частинками, миттєво пронизуючи всі перешкоди.

Пізніше нейтрино піднесло фізикам ще один сюрприз - осциляції. Виявилося, що вздовж руху нейтрино раптом змінює свій аромат і перетворюється на нейтрино іншого типу. З точки зору здорового глузду це цілковитий абсурд - виїжджає на трек «Формули 1» спортивний болід, раптом перетворюється на велосипед або автобус і повертається в початковий стан, але вже без всякої надії на гран-прі і шампанське. Однак у мікросвіті своя логіка, там діють закони квантової механіки.

Головний випромінювач нейтрино Фермілаб

Головний випромінювач нейтрино в «Фермілаб». Фото: Fermi National Accelerator Laboratory

Ці самі давно відкриті осциляції і були виявлені в «Фермілабі». На деяких установках, зокрема, в Гран-Сассо, їх вже спостерігали, захоплення було в іншому. NOvA - найдорожча і найбільш досконала нейтринна установка в світі з рекордним по щільності і потужності нейтринним пучком. Її будували майже десять років. Фізики покладають на неї великі надії, і перший, можна сказати, пробний експеримент продемонстрував, що працює установка коректно.

Складається NOvA з гармати - прискорювача, що створює спрямований нейтринний потік, першого детектора, що знаходиться поблизу і виконує роль ОТК, котрий перевіряє, чи всі нейтрино мають мюонний аромат, а також другого детектора, в Міннесотті, - він ловить деякі з подолавших 800-кілометрову дистанцію нейтрино і визначає, чим вони «пахнуть».

З трильйонів і трильйонів випущених мюонних нейтрино другим детектором в експерименті було зареєстровано лише 33, зате з повною гарантією, що це саме ті нейтрино, які при народженні були мюоними, а не які-небудь випадкові гості з безмежних просторів Всесвіту. З тридцяти трьох вісім частинок перетворилися на електронні нейтрино, 24 - в тау-нейтрино і лише одна зберегла мюонний аромат, даний їй від народження.

Сліди прольоту шести електронних нейтрино в детекторі NOvA

Сліди прольоту шести електронних нейтрино в детекторі NOvA. Зображення: The NOvA Neutrino Experiment на Facebook.

Ейфорія, що охопила фермілабовців, пояснюється тим, що результат збігся з їхніми пророкуваннями, причому з такою точністю, на яку вони навіть і не сподівалися. Отже, є всі шанси на те, що NOvA розкриє хоча б частину таємниць, які досі огортають «маленький нейтрон», і допоможе дізнатися про світ те, чого ми поки не знаємо.

З-під землі

Третя новина - про куди менш численні і «енергійні» нейтринні потоки. Про свої нейтрино, народжені прямо тут, в рідній Землі. Їх з деяких пір називають геонейтрино.

Геонейтрино - це передбачені ще Бруно Понтекорво електронні антинейтрино, які утворюються внаслідок розпадів урану і торію, а також калію-40 і рубідію-87, присутніх в корі і мантії Землі. Передбачається, що тепло, що виділяється в цих ядерних реакціях, значною, якщо не повною мірою визначає ступінь нагріву надр нашої планети, викликає конвективні потоки в рідкій земній мантії, визначаючи сейсмічну активність земної кори і забезпечуючи планету власним магнітним полем. А це, між іншим, необхідна умова для виникнення життя, в тому числі і нас з вами.

Перші експериментальні підтвердження існування геонейтрино були отримані в 2005 році японською нейтринної обсерваторією KamLand. Але далі у японських фізиків справа пішла не так добре, атомні станції, розташовані поруч, теж випромінювали схожі часточки, що неабияк плутало процес ідентифікації, а крім того послаблювало слабкий сигнал з надр Землі.

Однак є ще одна нейтринна установка, здатна цей сигнал вловлювати - італійська нейтринна обсерваторія «Борексіно», розташована під гірським масивом Гран-Сассо. До найближчої АЕС не менше тисячі кілометрів, так що шумовий фон там незрівнянно нижчий, ніж у Японії. Дані, отримані в Італії ще до 2010 року, дозволили впевнено говорити про те, що геонейтрино існують, проте статистики не вистачало.

Нейтринний детектор в Борексіно

Нейтринний детектор в Борексіно.

Розв'язка наступила минулого тижня: підсумувавши дані, отримані за 2056 днів спостережень, міжнародна колаборація «Борексіно» опублікувала в журналі Physical Review D статтю. Існування геонейтрино підтверджено зі статистичною значущістю в 5,9 сигм (тобто з одним шансом на помилку з 275 млн). Стандартні критерії у фізиці, наприклад, при відкритті нової частинки вимагають значущості всього в п'ять сигм.

Як і у випадку з «Фермілабом», результати «Борексіно» означають лише початок досліджень. Зараз з великою ймовірністю встановлено, що основні джерела геонейтрино знаходяться не в земній корі, а в мантії, проте для того, щоб зрозуміти, де саме вони розташовані, японської та італійської установок недостатньо, треба подивитися і з інших точок. У майбутньому очікується введення в дію нових детекторів геонейтрино - у Канаді, Фінляндії, США, а також у Росії, в Баксанській нейтринній обсерваторії.

Конфлікт з моделлю

Нейтринний фестиваль минулого тижня - всього лише сторінка з багатотомника, присвяченого таємничому і невловимому маленькому нейтрону. До нейтрино залишається ще багато питань. Головне з них - відносини нейтрино зі Стандартною моделлю.

Дослідники за останні пару століть відкрили п'ять видів взаємодій - електричне, магнітне, слабке, сильне і гравітаційне. У позаминулому столітті Максвелл об'єднав електрику з магнетизмом, в минулому столітті Стівен Вайнберг, Абдус Салам і Шелдон Глешоу довели, що електромагнетизм і слабка взаємодія - одне і те ж, тільки в різних ракурсах. Потім, завдяки працям вже цілої когорти теоретиків, вдалося приєднати до цієї компанії і квантову хромодинаміку, тобто теорію про сильну взаємодію. Це було зроблено настільки витончено і переконливо з теоретичної точки зору, що спільнота фізиків сприйняла даний результат спочатку за істину в останній інстанції (точніше, в передостанній, оскільки гравітацію до цієї чудової четвірки поки не приєднали), не чекаючи експериментального підтвердження. Всю цю конструкцію обережно назвали Стандартною моделлю, а модель мовою фізики це устрій світу, теоретично можливий устрій, який нічому не суперечить, але необов'язково існуючий в реальності саме в такому вигляді.

Стандартна модель ідеально пояснювала всі ефекти мікросвіту, і її тріумфом стало відкриття обов'язкового для неї бозона Хіггса на Великому адронному колайдері. Однак поступово накопичувалися нестиковки, що змушують теоретиків виробляти все нові і нові апгрейди Моделі, причому всі з великим і великими труднощами. На сьогодні головні претензії до цієї дивовижної теоретичної конструкції, крім того, що вона в принципі не враховує гравітаційної взаємодії, - відсутність у ній будь-якої згадки про темну матерію і темну енергію, а також непристойну поведінку головного героя цієї статті - нейтрино. З погляду Стандартної моделі нейтрино повинні не мати маси і вже тим більше не осциліювати.

Як вирішиться цей конфлікт, покаже майбутнє. Можливо, сторони дійдуть згоди. Або Стандартній моделі доведеться поступитися місцем Новій фізиці - теорії, ще не створеній, але про яку мріють багато теоретиків.

Джерело: Лента.ру

Владимир Покровский