На фестивале науки и технологий «Лабораторный пилот» обсудили строительство нейтринного телескопа на озере Байкал. Помощник главного инженера Объединённого института ядерных исследований (Дубна) Е.Д. Углов рассказал также о международных исследовательских проектах. Нейтрино – беда для учёных или открытие на стыке наук? Почему взрывы сверхновых повлияли на изучение субатомных частиц? Разбираемся вместе с Евгением Дмитриевичем.
Неуловимые субатомные частицы
Нейтрино – уникальная элементарная частица без массы и электрического заряда, которая движется со скоростью света. Пролетая через всю Вселенную, она не взаимодействует с материей и потому сохраняет внутреннюю энергию. Каждую секунду через нас проходят миллиарды нейтрино. Частица-призрак способна помочь в изучении фундаментальных законов Вселенной и предсказании её будущих процессов.
Вероятность взаимодействия нейтрино с веществом очень невелика. Однако, на радость экспериментаторам, это сечение взаимодействия растёт линейно от их энергии, при увеличении которой частица-призрак становится измеряемой: появляется возможность определить её с помощью высокотехнологичных установок.
От Паули до Ферми: как формировалось представление о нейтрино?
Впервые о существовании этой загадочной частицы учёные задумались в 1930 году, когда исследовали радиоактивность. Закон сохранения энергии должен выполняться, но во время наблюдений Вольфганга Паули выходило, что во время распада какая-то частица улетает, унося потерянную энергию. В 1934 году эту идею на уровне теории подхватил Энрико Ферми. Он посчитал, с какой вероятностью мы можем поймать нейтрино, и она оказалась предельно мала: 10-43см2. В 1956 году американским физикам-экспериментаторам всё-таки удалось зарегистрировать проявление нейтрино: в бочку с водой объёмом 200 литров добавили примеси и с помощью химической реакции обнаружили физическое взаимодействие частицы в мощном потоке нейтрино.
Какие существуют источники нейтрино?
Абстрактно существуют источники нейтрино двух типов: естественные и искусственные. Естественные – вспышки сверхновых или Солнце. В ядре небесного светила происходит термоядерная реакция, в процессе которой идёт большой нейтринный поток. Заряженные частицы космических лучей сталкиваются с атмосферой, и рождаются нейтрино определённых энергий.
Существует несколько принципов определения этой неуловимой частицы: через сцинтилляторы, с помощью эффекта Вавилова-Черенкова или радиохимическим методом.
Почему нейтрино надо изучать на глубине?
Исследования нейтрино проводятся на большой глубине, чтобы обыкновенные фоновые частицы и космические лучи не поступали в вещество, подготовленное для эксперимента, и не поглощались в нём, имитируя взаимодействие неуловимых частиц и искажая точность исследования. Так детекторы защищаются от внешних воздействий при беспрепятственном проникновении нейтрино.
«Цель науки – поймать единичное событие», или Как работает нейтринный телескоп на Байкале?
Проблема современных телескопов, в том числе и орбитальной обсерватории Джеймса Уэбба, как и любой большой машины, заключается в ограниченном просматриваемом пространстве. На Земле до сих пор не существует телескопов, которые с хорошей точностью одновременно обозревают всё небо и могут засечь редкие события в космосе, например, о рождении сверхновых.
Нейтринные телескопы с детекторами должны улавливать сигналы субатомных частиц из любой точки, после чего необходимо связаться с учёными и сообщить координаты, по которым нужно направить космический телескоп для изучения замеченного процесса. В России есть уникальный объект – озеро Байкал с кристально чистой водой и огромной глубиной в 1642 метра. Именно там установлен нейтринный телескоп, содержащий 4000 фотодетекторов. Он зафиксировал поток нейтрино с энергией в несколько раз больше предполагавшейся, а её источником стал Млечный Путь. Для учёных это стало поводом пересмотреть космические модели.
Нейтрино как система связи – реальность или несбыточная мечта?
Сложности определения нейтрино препятствуют использованию этой технологии. Теоретически – возможно, на практике – нереализуемо. Во-первых, из-за маленького сечения нельзя передавать периодические сигналы. Во-вторых, предположим, вы отправили 10 миллиардов нейтрино, а поймали одну частицу. Как в ней закодировать нужную информацию? То же самое, например, с антивеществом. Чтобы сделать миллиграммы вещества, нужно потратить миллиарды долларов. На эти средства классическими методами можно передать гораздо больше электричества, и сделать это будет проще.
Подготовила Елизавета Булавина, фото Дмитрия Ковшова