ВСПЫШКИ НЕЙТРИНО – СИГНАЛ ДЛЯ РЕЛЕЙЩИКОВ!
Согласно современным представлениям, нейтрино – это электрически нейтральная и не имеющая цвета легкая элементарная частица со спином 0,5, является лептоном и фермионом. Она участвует в слабых и гравитационных взаимодействиях. Характерной особенностью нейтрино является исключительно высокая проникающая способность при низких энергиях.
В этой статье будет говориться о нейтрино, долетающих до нас с астрофизических источников. Это интересная область науки, которая существует уже 50 лет, но исследована не до конца, потому что нейтрино очень сложно зарегистрировать и точности до сих пор не высоки. Солнечные нейтрино обладают энергией порядка 1 мегаэлектронвольта, благодаря им было доказано, что на Солнце идут термоядерные реакции. Интересно, что такие нейтрино регистрировали уже самые первые радиохимические установки. Один из экспериментов, в котором были детектированы нейтрино, образовавшиеся на Солнце, проходил в Баксанской нейтринной обсерватории в России (рис. 1).
Другие нейтрино возникают при сверхновых взрывах. Как и в центре Солнца, там происходят термоядерные процессы, но при значительно больших температурах. Энергия таких нейтрино составляет уже десятки мегаэлектронвольт. Их можно регистрировать при помощи черенковского излучения в воде – это редкие вспышки света, которыми сопровождается прохождение нейтрино сквозь толщу воды (столкновение с ядрами атомов, из которых состоят молекулы воды).
Черенковское излучение – это эффект возникает, когда частица летит со скоростью света в вакууме, а сам свет распространяется чуть медленнее. Такое случается, например, в воде.
В 1958 году за открытие и истолкования этого явления Павел Черенков и Илья Франк получили Нобелевскую премию.
Можно взять большую бочку прозрачной воды и разместить по краям фотодетекторы. Наиболее успешные установки этого типа – Kamiokande и Super – Kamiokande (рис. 2). Сейчас идет строительство Hyper – Kamiokande.
Детекторы Kamiokande регистрируют взаимодействия заряженных космических частиц с атмосферой, в результате которых рождаются вторичные частицы, в том числе нейтрино. Если относительно недалеко произойдет вспышка сверхновой, они поймают долетевшие нейтрино.
Такое событие произошло в 1987 году, его зарегистрировали четыре детектора в разных местах планеты (рис.3). Это единственное достоверное наблюдение астрофизических нейтрино, когда можно четко обозначить источник происхождения частиц.
Нейтрино более высоких энергий, исчисляющихся тераэлектронвольтами, ловят на установках такого же типа, что и Kamiokande, но значительно большего объема.
Подобные нейтрино прилетают очень редко, поэтому большой бочки уже недостаточно – используются природные объемы воды.
На Земле существуют всего три такие установки:
- IceCube на Южном полюсе (рис. 4). Работает уже десять лет, занимает объем в 1 км³.
- Baikal – GVD на озере Байкал, впервые зарегистрировавшая нейтрино высоких энергий (рис. 5 а, б). При этом установка только сейчас начинает работать на полную мощность. Она постоянно увеличивается и превзойдет по объему IceCube. Кроме этого, она удобна в эксплуатации тем, что можно сделать технологические отверстия во льду (в феврале месяце лед крепкий) и разместить в них оборудование и уехать. Установка будет работать целый год.
- KM3NeT в Средиземном море (прибор достигает очень малых размеров, но перспективный)
Все три установки будут работать в связке – в разных режимах наблюдать и северное и южное небо, обслуживая диапазон самых высоких для нейтрино энергий, исчисляющихся в тера- и петаэлектронвольтах. Не очень понятно, откуда прилетают такие частицы, и это самое интересное.
В рамках Стандартной модели нейтрино высоких энергий могут рождаться только от взаимодействия протонов с другими протонами и фотонами. Такие процессы всегда протекают одинаково с образованием самых легких сильно взаимодействующих частиц – пи-мезонов. Пи-мезоны бывают заряженные и нейтральные – и те, и другие распадаются практически мгновенно. В продуктах распада заряженных пи-мезонов есть нейтрино, незаряженных – фотоны.
Аналогичным способом одновременно с нейтрино образуются фотоны примерно с теми же энергиями и в том же количестве. Получается, что из космических лучей (протонов) до Земли долетают три посланника: сами космические лучи, нейтрино и фотоны высоких энергий. Измерив что-то в одном канале, мы тут же получаем информацию про другой. Из этого, собственно, современная многоканальная астрономия и родилась.
Заряженные частицы по дороге к Земле отклоняются под действием магнитных полей, из-за этого невозможно определить ни изначальное направление полета, ни его время.
Когда мы ловим частицу, нас интересует максимальный объем информации о ней:
– направление (откуда прилетела);
– время (когда зарегистрирована);
– энергия.
При этом определить направление полета космической частицы, например, протона, очень сложно (рис. 6). По дороге от источника она пролетает через множественные магнитные поля (межзвездные, межпланетные, межгалактические) и, как любая заряженная частица, отклоняется из-за них и меняет направление.
Иными словами, она движется к Земле не по прямой, а значит, и момент старта нам точно не установить.
И тут начинается самое интересное – предположения!
Разобраться с тем, откуда прилетела частица, нам помогает ее энергия. Именно этот параметр мы и регистрируем. Чем выше энергия, тем реже долетают до нас частицы. Дело в том, что произвести высокоэнергетическую частицу может только высокоэнергетический источник, а они встречаются редко.
Нам известно, что сверхновые периодически вспыхивают и в них происходит колоссальное ускорение частиц. Прикидываем, сколько вообще есть сверхновых, сколько их было раньше. Анализируем данные, полученные из электромагнитного канала. Сужаем круг подозреваемых источников.
Думаем, сколько помех могла встретить частица на своем пути: это и магнитные поля, и космическая пыль, и ионизированный газ.
И пытаемся сделать вывод – например, о принципах образования сверхновых или о магнитных полях галактик, которые весьма плохо изучены.
Максимальная энергия космических лучей – 1020 электронвольт. Это энергия полета теннисного мячика. Такие частицы встречаются крайне редко, за все время их было обнаружено 10 – 15, поэтому для ученых они представляют наибольший интерес.
Но и частицы низких энергий могут о многом рассказать. Например, о магнитном поле Солнца. Кстати, Солнце – пока единственный объект, про который с уверенностью можно сказать, что именно он произвел частицы, пойманные на Земле. Электромагнитный канал и астрофизика частиц отлично дополняют друг друга в изучении Солнца.
Нейтрино заряда не имеет, никуда не отклоняется и проходит свой путь за определенное время!
К сожалению, пока не особо удается понять откуда именно приходят нейтрино. IceCube определяет их источники в лучшем случае как площадь, занимаемую на небе Луной. При этом Луна, которая находится совсем близко, покрывает очень большую область дальнего космоса, и вычисления дают весьма приблизительные результаты. В воде определить направление проще, чем во льду, поэтому, согласно расчетам, байкальский нейтринный телескоп будет делать это в четыре раза точнее.
Японский физик Такааки Кадзита, лауреат Нобелевской премии по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций, сделал следующее заключение: «Нейтрино не участвуют практически ни в каких взаимодействиях. Триллионы нейтрино пролетают через нас, а мы этого даже не замечаем. Без нейтрино Солнце бы не светило, а значит, не было бы жизни на Земле. Так что нейтрино имеют к нам самое непосредственное отношение....
По сравнению с другими частицами масса нейтрино чрезвычайно мала, но она все-таки есть – и могла бы объяснить происхождение материи во вселенной, а это один из важнейших вопросов физики. При этом Стандартная модель не предусматривает наличия массы у нейтрино. Значит нам нужна новая физика, выходящая за рамки Стандартной модели....
От нейтринной астрономии следует ожидать очень много прорывов. Во Вселенной существуют различные объекты, которые ускоряют частицы до очень высоких энергий. Эти частицы называются космическими лучами. Там, где возникают космические лучи, должны образовываться и нейтрино. Поэтому обнаружение нейтрино высоких энергий станет ключом к пониманию происхождения космических лучей….
Обсерватория Baikal-GVD регистрирует нейтрино, которые помогут выяснить механизмы ускорения частиц в самых далеких и мощных источниках....
Нейтрино – это проявление нейтринных взаимодействий, которые регистрируют детекторы…».
Таким образом, на основе информационного сигнала, полученного от нейтрино можно вести своевременную перенастройку цепей релейной защиты и автоматики энергетических систем для предотвращения аварий, вызванных магнитными полями высокой интенсивности, возникших от вспышек сверхновых и на Солнце. Следовательно, вспышки нейтрино – это ценный надежный информационный сигнал для энергетиков, благодаря которому можно сделать энергетическую систему России гибкой и устойчивой к проявлениям природных аномальных явлений.
Материалы собраны и подготовлены, доцентом кафедры электроэнергетики ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В.И. Даля» к.т.н. Парсентьевым О.С.