К сожалению, мы давно привыкли к тому, что ведущие позиции в исследовании тайн природы принадлежат другим государствам. Ведь этого нужны деньги, а у нас до недавнего времени, приоритеты были другие. Но теперь и наша страна готова вкладывать средства в научные исследования. Так, зимой 2024 года было завершено строительство Байкальского подводного нейтринного телескопа, стоимостью в 2,3 миллиарда рублей.
Между прочим, запуск такого объекта прошёл совсем незаметно на фоне других новостей. Однако стоит ли тратить такие средства на исследование нейтрино – частицы, которая практически не взаимодействует с материей? Может, потратить деньги на что-то более важное? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Нейтрино
В переводе с итальянского языка, название этой элементарной частицы звучит как нейтрончик. И этому есть своё объяснение. Ведь учёные до недавнего времени весьма сомневались в том, что частица обладает массой. Также до сих пор считается, что она не обладает электрическим зарядом, и точно известно, что из всех физических видов взаимодействий нейтрино участвует только в гравитационном и слабом взаимодействиях.
Насчёт массы нейтрино можно только ещё сказать, что до сих пор её точное значение так и не удалось определить. Учёные только предполагают, что масса нейтрино на 10 порядков меньше массы протона. Для лучшего представления, можно представить себе, что это такое же соотношение, как вес кузнечика, который составляет примерно 1 грамм, к весу авианосца, массой 100 тысяч тонн.
Образуются нейтрино в результате ядерных и термоядерных реакций в недрах звёзд. При этом большая доля частиц, которые были обнаружены на нашей планете, родились в недрах Солнца, где образуется гелий из водорода. Нужно отметить, что внутри Солнца происходят и другие термоядерные реакции с участием кислорода, углерода и азота, которые также сопровождаются выделением нейтрино.
Что даёт изучение нейтрино?
По теоретическим расчётам во Вселенной на 1 протон или нейтрон приходится 109 нейтрино. Если же рассматривать Землю, то здесь, через площадь в один квадратный сантиметр проходят триллионы нейтрино в секунду. Причём это происходит совершенно незаметно как для нас, так и для различных машин или приборов.
Такая особенность нейтрино, как бы это странно ни звучало, позволяет заглянуть в тайны мироздания. Ведь, кроме этой частицы, человечеству больше не известно ничего, что может в неизменном виде передвигаться во Вселенной. Нейтрино может стать тем ключом, благодаря которому человечеству станут доступны для понимания первые мгновения после Большого взрыва и многие другие тайны мироздания, например, куда пропало антивещество, или разгадать загадку тёмной материи.
При чём тут бестопливный генератор?
Идея использовать такое огромное количество частиц для выработки энергии, вероятно никогда не покидала умы различных учёных. Действительно, набрав в поисковике фразу типа: нейтринный бестопливный генератор электричества, можно перейти на сайты, где такие генераторы всячески рекламируются.
Причём суть процесса получения энергии сводится к так называемой «графеновой» волне – явления, при котором атомы графена колеблются при попадании на них нейтрино.
Габариты устройства составляют всего 800*400*600 мм, а вес составляет 50 кг. При этом заявляется, что мощность такого генератора будет доходить до 2 кВт. Однако меня на этот счёт терзают смутные сомнения.
Можно ли поймать нейтрино?
Дело в том, что нейтрино практически не взаимодействуют с веществом, поэтому даже зарегистрировать отдельную частицу напрямую оказалось такой сложнейшей задачей, решить которую пока невозможно. Однако учёным всё же удалось найти способ как обнаружить нейтрино – по взаимодействию этой частицы с веществом в детекторе.
Суть радиохимического метода заключается в следующем: попадая на вещество, находящееся в детекторе, нейтрино вызывает разрушение ядер атомов, что, в свою очередь, приводит к образованию других частиц. Именно по появлению этих новых частиц и можно утверждать, что было зарегистрировано нейтрино.
Однако так просто, только в теории. На практике, для того чтобы понять, какое количество нейтрино взаимодействовало с веществом детектора, придётся считать отдельные атомы, образовавшиеся на мишени, которая весит несколько сотен тонн.
Для примера эти массы будут иметь соотношение, как масса нашей планеты относится к массе муравья!
Другая особенность выявления нейтрино заключается в том, что детектор должен быть надёжно защищён от воздействия других частиц, ведь в противном случае их воздействие будет только мешать. Самое лучшее место для детектора – это шахта, при этом горная порода не должна быть радиоактивной, или альтернативный вариант – толща воды.
Исходя из этого принципа, почти десять лет работает один из крупнейших в мире, американский нейтринный телескоп IceCube, расположенный в Антарктиде.
При этом за всё то время, что он находился в работе, а если точнее, то с 29 января 2006 года, телескоп поймал всего сотню астрофизических, то есть космического происхождения нейтрино. Вот почему я сомневаюсь в работоспособности нейтринного генератора электроэнергии!
А как же обстоят дела у нас?
В начале статьи говорилось о завершении строительства Байкальского подводного нейтринного телескопа. Кстати, этот телескоп уже можно сравнить по размеру с IceCube. Так вот, уже на этапе строительства, за год до полного её завершения, Байкальскому телескопу уже удалось обнаружить десять нейтрино.
При этом удалось с высокой точностью определить направление, откуда прилетели частицы. А если мы знаем точное направление, то, значит, можно туда направить другие телескопы.
Далее учёные сопоставили данные, полученные от различных телескопов. Это позволило впервые определить адрес сразу целой популяции, состоящей из 70 радиоблазаров.
Радиоблазар — это активное ядро галактики с релятивистской струёй (потоком плазмы), которая состоит из ионизированного вещества, движущегося со скоростью, близкой к скорости света. Эта струя направлена близко к наблюдателю, поэтому радиоблазары кажутся намного ярче, чем другие активные галактики.
Также были получены точные данные об отличии нейтрино и антинейтрино. Такой результат позволит учёным приблизиться к открытию ещё одной загадки Вселенной: если в момент Большого Взрыва вещества и антивещества было поровну, то почему сейчас мы можем наблюдать только вещество?
Проведённые эксперименты позволяют предположить существование нового вида нейтрино – стерильного нейтрино. Ведь на сегодняшний момент известно только три типа этих частиц: электронное, мюонное и тау-нейтрино, которые могут превращаться друг в друга, и весьма слабо взаимодействовать с материей, а также возвращаться в начальное состояние. Частица четвёртого типа – стерильное нейтрино, отличается от них полным отсутствием взаимодействия с материей.
Данные, полученные с помощью Байкальского нейтринного телескопа, позволили получить новые сведения об этих частицах и механизмах их образования. Такие результаты уже стали определяющими для мировой науки, что только ещё раз подтверждает лидерство нашей страны.
Как устроен телескоп?
Нужно отметить, что строительство Байкальского подводного телескопа будет продолжено. Принят проект, согласно которому объём телескопа должен достигнуть один кубический километр, что произойдёт примерно к 2030 году.
Однако вернёмся к нашему телескопу и рассмотрим его устройство.
Нужно отметить, что на рисунке показана только вторая очередь, а строительство первой очереди относится к уже далёкому 1998 году. На тот момент телескоп состоял из восьми гирлянд, длиной по 72 метра каждая. Гирлянды были закреплены на глубине 1 км.
Затем после завершения проектирования, было начато размещение второй очереди. Размещение первых трёх кластеров было завершено к 2018 году, а к концу 2019 года было размещено ещё 2 кластера. Таким образом, общее число работающих кластеров достигло пяти штук.
Следующие кластеры, шестой и седьмой, соответственно, были введены в строй весной 2020 года, а в 2021 году был введён в работу восьмой кластер. Объём установки на данный момент составил 0,4 квадратных километра. Однако это не предел, ведь учёные планируют увеличить общее число кластеров до 27 штук уже 2030 году.
Фотоумножители
Итак, с общим устройством телескопа нам удалось разобраться. По сути, кластеры состоят из гирлянд с детекторами, которые при помощи тросов, якорей и поплавков установлены на определённой глубине озера Байкал. Однако, пока открытым остаётся ответ на вопрос: а как же происходит фиксация нейтрино? На каком принципе работает вся установка?
Дело в том, что в роли детектора выступает само озеро, а точнее, вода Байкала. Некоторые нейтрино, попадая на нашу планету из глубин космоса, должны с высокой вероятностью взаимодействовать с материей, а точнее, с отдельными атомами. При этом увидеть такое взаимодействие проще всего в воде.
Разумеется, что наш Байкал – это уникальное озеро. Оно самое глубокое на Земле и также самый большой резервуар чистейшей пресной воды, а значит, подходит для научных целей самым лучшим образом. Кроме того, на значительной глубине озера температура не меняется в течение всего года и составляет 3,4℃. Добавим ко всему и ещё то, что в холодное время года поверхность озера покрывается весьма толстым льдом, а это позволяет использовать мощную технику для установки научных приборов.
Определяют появление нейтрино по его реакции с веществом, которое окружено гирляндами, или по взаимодействию частицы с атомом вещества, находящегося на расстоянии нескольких километров от гирлянд. Результатом такого взаимодействия становится появление элементарной частицы – высокоэнергетичного мюона.
Такая частица по своим характеристикам похожа на электрон, но обладает гораздо большей массой. Мюоны нестабильны и имеют средний срок жизни около 2,2 микросекунды. Однако этого вполне достаточно для того, чтобы их зафиксировали фотоумножители телескопа.
Для защиты от механических воздействий каждый фотоумножитель заключён в стеклянную сферу, которая, кстати, может выдержать давление 100 атмосфер. Также для синхронизации работы всех фотоумножителей применяется лазер, который включается через определённый промежуток времени. Кроме этого, около дна озера размещены специальные акустические датчики, которые нужны для фиксирования даже небольших колебаний фотоумножителей.
Данные, полученные от фотоумножителей, поступают в компьютер для расшифровки. В результате обработки полученной информации компьютер восстанавливает траектории элементарных частиц.
Такая компьютерная обработка данных позволяет определить не только тип элементарной частицы, но и направление нейтрино. Погрешность при этом составляет 1–2°, что позволяет телескопу определить на небесной сфере место, откуда прилетело нейтрино, с погрешностью примерно 3°.
Заключение
Следует отметить, что научные изыскания, как бы они не казались дорогостоящими на начальном этапе, приводят к созданию прорывных технологий, эффект от применения которых позволяет окупить все затраты. Сейчас проводится несколько мировых экспериментов по исследованию нейтрино, которые по масштабу можно сравнить с исследованиями на Большом адронном коллайдере.