А что, если нейтрино — тот самый ключ к разгадке наиболее глобальных вопросов Вселенной?

1

Из-за её сверхъестественной способности проникать сквозь твёрдые предметы, в т.ч. через вас и меня, нейтрино называют «призрачной частицей». Исследователи в Антарктике всеми силами пытаются поймать её, ведь она может показать нам те области во Вселенной, в которых сосредоточено наибольшее количество энергии.

Нейтрино: вы никогда не почувствуете их, никогда их не увидите, но они сейчас действительно рядом с вами. Они быстро перемещаются вокруг и сквозь вас: за одну секунду около сотни миллиардов нейтрино проходят сквозь один квадратный сантиметр вашего указательного пальца. Они приходят к нам как издалека — с самых отдалённых уголков Вселенной — так и из более ближних мест — с Солнца, например, которое, словно инкубатор, производит их в огромных количествах. Подавляющее большинство нейтрино практически невозможно обнаружить.

Подобно протону, нейтрону или электрону, нейтрино — субатомная частица. Из всех элементарных частиц, именно нейтрино несёт в себе наибольшую ноту загадочности. Что мы о ней знаем? Это очень лёгкая частица (практически безмассовая), которая не имеет электрического заряда, и которая, в процессе перемещения, может принимать одну из трёх своих форм — электронной-, мюонной- и тау-частицы. Эта частица редко взаимодействует с другими частицами. Вполне возможно, именно в нейтрино находятся ответы на глобальные вопросы мироздания. «Это удивительные космические связные» — говорит доктор Дженни Адамс, профессор физики в Университете Кентербери (TEDxChristchurch talk: A mountain-sized telescope, under a mile of ice). «Они могут перемещаться по всем уголкам Вселенной, сквозь самые плотные её объекты». Для лучшего понимания природы нейтрино, Адамс детально рассказывает всё, что нам известно о её происхождении и о большом эксперименте, который сейчас проходит глубоко подо льдами Антарктики.

Нейтрино — относительно новое открытие. Впервые их обнаружили Клийде Л. Кован и Фредерик Райнес в 1956 году, во время изучения бета-распада — процесса, при котором нестабильные атомы становятся стабильными. За их открытие, им, в 1995 году, присудили Нобелевскую премию. Со времени обнаружения этих частиц, физики пытаются понять их природу.

Интересно то, что, как для частиц, которые находятся буквально повсюду, их невероятно сложно обнаружить. Их «неуловимость» заключается в их способности проходить сквозь твёрдные объекты. «В каком-то плане, обнаружить нейтрино — это всё-равно, что выиграть в лотерею» — говорит Джеймс Мадсен, профессор кафедры физики в Университете Висконсина в Ривер Фолс (TEDxUWRiverFalls talk: Neutrino Astronomy: Can You See What I See?) Физики медленно, но уверенно идут к возможности увидеть взаимодействие нейтрино между собой — они строят для них огромные «ловушки» — машины, наполненные «приманками» (элементарными частицами, атомами). «Вы можете спросить: а каковы шансы, что на такое большое количество «приманки» попадётся нейтрино?» — говорит Мадсен. «И я отвечу: если мои шансы выиграть в лотерею будут один к миллиону, мне нужно будет купить миллион билетов, и выигрыш — у меня в кармане. С нейтрино действует то же правило: чем больше «приманки» у вас есть, тем больше у вас шансов обнаружить нейтрино».

Устройства для обнаружения нейтрино обычно полые, большие и находятся глубоко под землёй. Чаще всего, их обустраивают в золотых, никелевых и соляных шахтах. А одно уникальное устройство, с которым работают Мадсен и Адамс, расположено под антарктическими льдами. Это IceCube («Ледяной куб»). Его площадь равна одному кубическому километру льда (водой со всего этого растаявшего льда можно было бы заполнить миллион бассейнов). «Когда внутри шельфового ледника нейтрино взаимодействует с элементарной частицей, атомом (той самой «приманкой»), появляются заряженные частицы, которые потом излучают свет» — говорит Адамс. Льды Антарктики — прекрасная «приманка» для нейтрино, потому что в них нет никаких примесей — это чистая замороженная вода. По словам команды IceCube, «обычно во льду содержатся пузырьки воздуха, которые искажают измерения IceCube, но на Южном полюсе ледовый покров очень плотный, как бы сильно сжатый», потому он идеально подходит для обнаружения частиц, излучающих свет.

Нейтринная обсерватория IceCube занимает приблизительно один кубический километр антарктического льда. Она оснащена 5.160 цифровыми оптическими модулями, которые находятся на глубине от 1.450 до 2.450 метров. Также в обсерватории расположены детектор субэлементарных частиц DeepCore и несколько десятков "нитей", прикреплённых к вершине всей конструкции — IceTop. Схема предоставлена командой IceCube.
Нейтринная обсерватория IceCube занимает приблизительно один кубический километр антарктического льда. Она оснащена 5.160 цифровыми оптическими модулями, которые находятся на глубине от 1.450 до 2.450 метров. Также в обсерватории расположены детектор субэлементарных частиц DeepCore и несколько десятков «нитей», прикреплённых к вершине всей конструкции — IceTop. Схема предоставлена командой IceCube.

Проектирование и строительство IceCube само по себе было большим начинанием. «Мы просверлили 86 скважин во льду, расстояние между которыми составляет 125 метров. Это немного больше длины одного футбольного поля» — говорит Мадсен. «Глубина одной скважины равна высоте восьми Эйфелевых башен. На то, чтобы просверлить одну скважину нам потребовалось 48 часов». Строительство заняло семь лет. Отчасти так произошло потому, что рабочие, по причине сурового климата, могут находиться в Антарктике лишь три месяца в году. Сбор и обработка данных обсерваторией начались в 2010 году. Аппарат работает за счёт 5.160 светочувствительных детекторов — круглых сенсорных датчиков, похожих на баскетбольный мяч — которые реагируют на вспышки света от взаимодействия нейтрино и льда.

Адамс и Мадсен, вместе с командой из 298 исследователей, пытаются понять, приведёт ли их изучение нейтрино к открытию нового источника космических лучей, движущихся со сверхвысокими энергиями в космическом пространстве. Космические лучи — вполне обычное явление. Они состоят из совокупности частиц (большей частью протонов) и элементарных частиц, с которыми протоны столкнулись в верхних слоях атмосферы Земли. Такие столкновения рождают новые частицы, которые поглощаются атмосферой задолго до того, как они достигнут поверхности Земли. Из всех космических лучей, вероятно, только нейтрино могут добраться до Земли. В этом им помогает их необычная способность избегать взаимодействия с внешней средой. IceCube предназначен для того, чтобы отслеживать все нейтрино, которые взаимодействуют с элементарными частицами внутри арктического льда. Исследователи с большой надеждой изучают эти загадочные частицы, ведь, с их помощью, у нас действительно есть возможность найти доказательство существования сверхэнергоёмких космических лучей, которые обрушиваются на Землю из космоса в виде ливня частиц с энергией, в миллионы раз превышающей энергию, продуцируемую Большим адронным коллайдером.

Подготовка к эксплуатации одной из 86 "нитей" IceCube длится около 11 часов. На каждую из них необходимо установить 60 цифровых оптических модулей, пока они не покрылись толщей льда. Фото: IceCube/NSF
Подготовка к эксплуатации одной из 86 «нитей» IceCube длится около 11 часов. На каждую из них необходимо установить 60 цифровых оптических модулей, пока они не покрылись толщей льда. Фото: IceCube/NSF

Могут ли нейтрино, обнаруженные с помощью IceCube, указать нам на места во Вселенной, в которых сконцентрировано наибольшее количество энергии? Ну, мы надеемся на это. Физики полагают, что человеку никогда не будет под силу создать ускоритель частиц, обладающий энергией, эквивалентной энергии космических лучей. По мнению специалиста в области ядерной физики из Технологического института Карлсруэ, Ральфа Энгеля, чтобы получить энергию космических лучей в условиях нынешних технологий, нам необходимо построить ускоритель частиц, соразмерный орбите Меркурия (более 359 млн км). Так где же рождаются эти космические лучи? В сверхмассивных чёрных дырах? На месте разрыва космических струн? Из квазаров? Мы не знаем. Адамс говорит, что нейтрино невероятно важны в этих поисках: они не взаимодействуют с электромагнитными силами, и, следовательно, их траектория не претерпевает никаних изменений от магнитных полей. Потенциально они могут привести нас к месту рождения космических лучей. Они — словно карта, по которой мы ищем сокровища.

В Антарктике, с помощью детектора, обнаружены нейтрино, обладающие крайне большим запасом энергии (ура!) А, вот, наши главные вопросы до сих пор остаются без ответов (пока что). «Мы думали, что, обнаружив эти нейтрино, всё тайное станет явным» — говорит Адамс. Но, как оказалось, не всё так просто.  «Мы обнаружили порядка сотни нейтрино, но все они рождаются вследствие выделения колоссального объёма энергии, которая исходит не от Солнца, а от некоторых, до сих пор неизвестных нам, астрофизических процессов». Это не сверхмассивные чёрные дыры, не остатки вспышки сверхновой, не блазары и не результат жизни активных ядер галактик. Значит, нам ещё предстоит много поисков и исследований. «На самом деле, не так много нейтрино рождаются в результате выделения энергии от астрофизических процессов, и, по правде говоря, существует несколько таких процессов, потому сложно установить связь между обнаруженным нейтрино и, собственно, процессом, давшим ему жизнь» — говорит она.

Строительство станции IceCube на Южном полюсе проходило в летние месяцы с января 2005 года по декабрь 2010 года. Команды строителей работали посменно, круглые сутки — всё для того, чтобы с максимальной пользой использовать минимальное количество времени. Фото: IceCube/NSF
Строительство станции IceCube на Южном полюсе проходило в летние месяцы с января 2005 года по декабрь 2010 года. Команды строителей работали посменно, круглые сутки — всё для того, чтобы с максимальной пользой использовать минимальное количество времени. Фото: IceCube/NSF

Несмотря на все трудности, на Южном полюсе сделаны важные открытия. Исследователи «поймали» наиболее «энергоёмкие» нейтрино из всех, что ранее были обнаружены. IceCube также работают совместно с LIGO — обсерваторией, которая подтвердила существование гравитационных волн — в поисках массивного выброса нейтрино от столкновения двух чёрных дыр. Их сотрудничество вдохновило NASA на отслеживание места рождения одного из самых известных нейтрино — Big Bird («Большой птицы»). В космическом агентстве полагают, что в их руках уже есть главный подозреваемый на эту роль: необычно яркая галактика PKS B1424-418. «Мы знаем, что что-то рождает эти невероятно энергоёмкие частицы» — говорит Мадсен — «но мы не знаем, где и как частицы получают столько энергии. Это как если бы у вас украли все ваши деньги, а всё, что вы знаете, так это то, что у вас больше нет денег — вы и представления не имеете, кто и как это сделал, и где грабитель сейчас находится».

Исследователи из IceCube полагают, что мы можем проследить путь перемещения космических лучей от места их рождения, и, таким образом, подробнее их изучить. Вот лишь несколько причин, по которым мы должны не спускать глаз с нейтрино: учёные считают, что понимание их природы поможет выяснить, почему при взаимодействии материи и антиматерии, происходит их аннигиляция (нейтрино могут быть античастицами самим себе); нейтрино может подсказать, что происходит внутри звезды во время её взрыва (они могут с лёгкостью выбираться из мест скопления большого количества энергии, выделяемой, например, взрывом сверхновой или ядром нашего Солнца); наконец, нейтрино могут натолкнуть нас на мысли о том, что происходит за пределами нашего Млечного Пути (они могут быть нашими проводниками между местами скопления энергии в разных галактиках). «Что-то ускоряет эти частицы и придаёт им большую энергию. Гораздо большую, чем мы можем получить на Земле» — говорит Адамс — «И сейчас мы даже понятия не имеем, где во Вселенной это «что-то» происходит, и что такое это «что-то».  IceCube — это способ понять процессы, благодаря которым выделяется так много энергии, а нейтрино — ключ к пониманию этого процесса».

ОБ АВТОРЕ
Хейли Рейсман – координатор редакционно-издательской деятельности в TEDx.

Перевод: Илья Макаренко
Источник: ideas.ted