Одна из загадок, которая волнует человечество с самого начала времён, это само начало времени. Есть уверенность, что Вселенная началась с события, известного как Большой взрыв. Однако большая часть наших знаний о ранней Вселенной основана на данных, полученных спустя сотни тысяч лет после этого события. Вопросы о том, как мы измеряем Большой взрыв и каким образом нейтрино могут радикально изменить наше понимание ранней Вселенной, остаются актуальными.
Когда речь заходит о Большом взрыве, нейтрино, возможно, не первое, что приходит в голову. Но для физиков, специализирующихся на нейтрино, это ключевой элемент. Считается, что Большой взрыв породил равные количества материи и антиматерии, которые аннигилировали при контакте. Так как же в итоге Вселенная оказалась наполнена материей? Возможно, ответ кроется в нейтрино.
Сегодня мы исследуем роль нейтрино в ранней Вселенной и то, как они могут помочь нам узнать больше о времени сразу после Большого взрыва. Начальные условия после Большого взрыва были настолько экстремальными, что ядра и атомы не могли формироваться. Вселенная представляла собой плазму из высокоэнергетических частиц, настолько горячую и плотную, что ничто, даже нейтрино, не могло перемещаться на значительные расстояния без взаимодействия.
С возрастом Вселенной различные частицы начали отделяться от первичной плазмы. Это означает, что они прекратили взаимодействовать друг с другом и начали вести себя более похоже на частицы, известные нам сегодня.
Часто упоминаемый Космический микроволновый фон (КМФ) представляет собой фотоны, исходящие от Большого взрыва. На самом деле эти фотоны отделились от плазмы примерно через 370 000 лет после события. Тем не менее, КМФ является самым древним прямым наблюдением ранней Вселенной, позволяющим заглянуть на миллиарды лет назад во времени.
Что касается нейтрино, они взаимодействуют меньше, чем фотоны, и, как можно было предположить, отделились от первичной плазмы гораздо раньше, примерно через одну секунду после Большого взрыва. Нейтрино покидают ядро сверхновой раньше света, потому что они взаимодействуют только через слабое взаимодействие, в отличие от фотонов, которые взаимодействуют через более сильное электромагнитное взаимодействие. Аналогично, в ранней Вселенной нейтрино отделились от плазмы на раннем этапе, в то время как фотоны продолжали взаимодействовать электромагнитным путем с другими частицами в течение еще нескольких сотен тысяч лет.
Эти нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, должны до сих пор находиться вокруг нас и называются они Космическим нейтринным фоном (КНФ). Если бы нам удалось их измерить, мы могли бы увидеть картину Вселенной, которой всего одна секунда от роду. Это представление сильно отличалось бы от того, что мы видим через фотоны, и могло бы предоставить множество полезной информации.
Идея изучения Космического нейтринного фона (КНФ) звучит как мечта ученых. Однако существует существенная проблема: КНФ до сих пор не измерен, поскольку эти нейтрино имеют крайне низкую энергию. По оценкам, они начинали свой путь с энергией, которая была примерно в 500-1000 раз ниже, чем у нейтрино, генерируемых в наших ускорителях. Обнаружить такие нейтрино на детекторах крайне сложно, но, возможно, не невозможно.
Кроме того, за 13.8 миллиарда лет с момента Большого взрыва, эти нейтрино потеряли значительное количество энергии из-за явления, известного как космологическое красное смещение. Чтобы понять космологическое красное смещение, необходимо учитывать два ключевых аспекта: расширение Вселенной и дуализм волна-частица. Во-первых, известно, что Вселенная расширяется, что означает растяжение самого пространства-времени. Во-вторых, принцип дуализма волна-частица позволяет рассматривать нейтрино как волну и как частицу.
По мере расширения пространства-времени волновой пакет растягивается, подобно натянутому куску нити. Длина волны увеличивается. Если бы это была световая волна, она перемещалась бы к красному концу видимого спектра, что и называется красным смещением. Такие же термины используются для описания того, что происходит с волной нейтрино, хотя в этом случае свет и цвета не участвуют. Таким образом, можно рассчитать энергию волны, используя соответствующую формулу.
Согласно физическим законам, с увеличением длины волны энергия волны уменьшается. Степень растяжения волновой частицы зависит от времени её движения во Вселенной. Нейтрино Космического нейтринного фона (КНФ) перемещаются с момента Большого взрыва, что означает значительное растяжение и потерю большей части их энергии. Изначально они обладали энергией в один-два мегаэлектронвольта (МэВ), но сейчас, согласно оценкам, их энергия уменьшилась в сотни миллиардов раз, что делает её на несколько порядков меньше, чем у самых низкоэнергетических нейтрино, когда-либо обнаруженных.
Ранее было отмечено, что нейтрино в общем случае движутся почти со скоростью света. Однако КМФ-нейтрино являются исключением из-за своей крайне низкой энергии, что делает их нерелятивистскими. Эти нейтрино движутся со скоростью, примерно в 3000 раз меньшей, чем скорость света, что составляет около 85 километров в секунду.
Измерение этих чрезвычайно медленных и низкоэнергетических нейтрино – огромный вызов для науки, но если это удастся, мы узнаем много нового и важного. В научном сообществе существуют интересные идеи, включая эксперимент под названием PTOLEMY, который направлен на измерение Космического нейтринного фона с использованием трития.
Нейтрино с очень низкой энергией могут быть пойманы атомом трития и вызвать испускание электрона в результате процесса, обратного бета-распаду. Измерение этих электронов, испущенных КМФ-нейтрино, потребует использования чрезвычайно чувствительного детектора. На данный момент никто еще не создал детектор, способный на это, однако для проекта PTOLEMY разрабатывается множество передовых технологий.
Говорят, что каждый физик, занимающийся нейтрино, проходит через этап, когда он хочет измерить Космический нейтринный фон, и это действительно так. Это было бы поистине революционное открытие. Мы бы узнали не только о нейтрино, но и получили бы возможность заглянуть прямо в начало Вселенной.
Интересный факт: физик Фред Хойл придумал термин "Большой взрыв" в радиопередаче 1950-х годов. Ирония заключается в том, что Хойл выступал против теории, известной в то время как космология Фридмана, и продвигал свою конкурирующую "Теорию стационарного состояния" для описания Вселенной. Однако в 1963 году, после открытия Космического микроволнового фона, который стал наиболее убедительным доказательством в пользу теории Большого взрыва, Хойл изменил свою точку зрения.
Не забудьте поделиться своим мнением в комментариях и подписаться, чтобы узнавать больше о, возможно, самых старых, но определенно лучших частицах во Вселенной.