Нейтрино — одни из самых загадочных и неуловимых частиц во Вселенной. Прямо сейчас через каждый квадратный сантиметр вашего тела ежесекундно пролетают примерно 65 миллиардов нейтрино (в среднем, в зависимости от времени суток), рожденных в ядре нашего Солнца, но все эти частицы остаются незамеченными. Они беспрепятственно проходят сквозь вашу одежду, ваше тело, ваш дом и даже сквозь Землю, словно невидимый космический ливень, который вы никогда не почувствуете!
Что такое нейтрино?
Нейтрино — это субатомные частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие крайне малой массой (точное значение до сих пор неизвестно). Настолько малой, что долгие годы ученые считали их безмассовыми. Их взаимодействие с материей осуществляется исключительно через слабое ядерное взаимодействие — одну из четырех фундаментальных сил природы, которая в миллиарды раз слабее электромагнитного взаимодействия.
Эта особенность делает нейтрино чем-то вроде "призраков" мира элементарных частиц. Представьте себе: лист бумаги без труда блокирует свет, тонкий слой алюминия останавливает альфа-излучение, а нейтрино пролетают через целую планету, практически не замечая ее. Если бы ученые поставили перед собой задачу остановить половину солнечных нейтрино, им потребовался бы свинцовый барьер толщиной в один световой год!
Откуда берутся нейтрино?
Эти частицы образуются в процессах, связанных с ядерными реакциями:
- Термоядерные реакции в ядрах звезд генерируют огромное количество нейтрино. Наше Солнце производит около 10^38 нейтрино каждую секунду!
- При вспышке сверхновой (взрыве массивной звезды в конце ее жизненного цикла) высвобождается колоссальное количество энергии, причем около 99% этой энергии уносят именно нейтрино.
- Ядерные реакторы: распад радиоактивных элементов сопровождается выбросом электронных антинейтрино.
- Атмосфера Земли: космические лучи, сталкиваясь с атомами в верхних слоях атмосферы, порождают каскад частиц, включая нейтрино.
Виды нейтрино
Существует три типа (или "аромата") нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Они названы в соответствии с лептонами*, с которыми они связаны при рождении. Удивительное свойство нейтрино — осцилляция, представляющая собой способность превращаться из одного типа в другой во время движения через пространство. Именно это явление стало одним из первых убедительных аргументов в пользу того, что нейтрино имеют массу.
*Лептоны — это семейство элементарных частиц, которые не участвуют в сильном взаимодействии. К ним относятся электрон (частица, из которой состоит электронная оболочка атомов), мюон и тау-частица (более тяжелые "родственники" электрона). Лептоны — одни из фундаментальных "кирпичиков" материи.
Как ученые ловят неуловимое?
Для обнаружения этих призрачных частиц необходимы гигантские детекторы, часто размещаемые глубоко под землей для защиты от фонового космического излучения:
- "Супер-Камиоканде" в Японии — огромный детектор на глубине 1 000 метров, содержащий 50 000 тонн сверхчистой воды и окруженный более чем 11 000 чувствительных фотодатчиков.
- IceCube на Южном полюсе — нейтринная обсерватория, встроенная в кубический километр антарктического льда.
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — масштабный проект, находящийся в стадии строительства на территории США. Его детекторы будут содержать 70 000 тонн сверхчистого жидкого аргона и располагаться на глубине 1,5 километра. Эксперимент нацелен на исследование природы нейтринных осцилляций, охоту за распадом протона (подробно об этом я рассказывал ЗДЕСЬ) и изучение нейтрино сверхновых звезд.
Когда неуловимые нейтрино все же взаимодействуют с ядрами или электронами в детекторе (что случается чрезвычайно редко — буквально несколько событий за месяцы наблюдений), они порождают заряженные частицы, такие как мюоны или электроны. Эти частицы движутся быстрее, чем свет в данной среде**, создавая эффект Вавилова-Черенкова — характерное голубоватое свечение, подобное ударной волне от сверхзвукового самолета. В некоторых типах детекторов (например, с жидким аргоном) фиксируются также ионизационные следы. Все эти крошечные сигналы улавливаются сверхчувствительными фотоумножителями и специальными датчиками, способными зарегистрировать даже единичные фотоны света.
**Речь не идет о нарушении фундаментального закона физики — в вакууме ничто не может превысить скорость света. Однако в таких средах, как аргон или лед, свет движется медленнее, и заряженные частицы действительно могут двигаться быстрее, но только в этой конкретной среде.
Для чего нужно изучать нейтрино?
Нейтрино — уникальные космические посланники. В отличие от света, который поглощается и рассеивается, они путешествуют через Вселенную почти без изменений, донося до нас информацию о процессах, скрытых от прямого наблюдения.
Они позволяют заглянуть в ядро Солнца, раскрывая тайны термоядерного синтеза, оповещают о вспышках сверхновых (нейтрино испускаются раньше, чем взрывается звезда), как это было с SN 1987A, и помогают разобраться, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, — ключ к пониманию существования всего, что нас окружает.
Вкупе с электромагнитной и гравитационно-волновой астрономией нейтринная астрономия формируется целостную картинку мироздания.