Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Нейтрино, неуловимые частицы, которые редко взаимодействуют с веществом, и очаровывают физиков уже несколько десятилетий. Эти загадочные частицы дают ключ к пониманию некоторых из самых глубоких тайн Вселенной – от происхождения космических лучей до дисбаланса материи и антиматерии.
В 2023 году учёные IceCube подтвердили наличие высокоэнергетических нейтрино в Млечном Пути, открыв новую эру в астрономии. Достижения в области изучения нейтрино за последнее десятилетие позволили превратить теоретичные идеи в революционные открытия, а передовые проекты в работы.
В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена Такааки Каджита и Артуру Б. Макдональду за открытие того, что нейтрино обладают массой. Это в корне изменило наше представление о материи.
Читайте: Космические лучи с рекордной энергией накрыли Землю – Что зафиксировали учёные
Японский физик Такааки Каджита рассказал, что в исследованиях нейтрино наблюдается постоянный прогресс. Говоря о роли физики в решении глобальных проблем, он отмечает, что физики внесли значительный вклад в ранние исследования изменения климата, о чём свидетельствует Нобелевская премия по физике 2021 года.
«Ключевая роль физиков заключается в том, чтобы найти способы решения очень сложных вопросов с помощью физики», – объясняет Каджита. Факт, что для наблюдения нейтрино в лаборатории потребовалось 25 лет, указывает, насколько сложно иметь дело с нейтрино.
Несмотря на значительные успехи, главные вопросы остаются. Какова абсолютная шкала массы нейтрино? Являются ли нейтрино собственными античастицами? И как они связаны с асимметрией материи и антиматерии во Вселенной? Эти загадки лежат в основе постоянных исследований фундаментальной природы нейтрино.
Карта Млечного Пути «глазами» нейтрино
Нейтринная обсерватория IceCube, расположенная глубоко во льдах Антарктиды, является крупнейшим детектором частиц в мире. 5 тыс. её оптических датчиков фиксируют мимолётный свет Черенкова, излучаемый при взаимодействии нейтрино со льдом.
В 2023 году учёные IceCube подтвердили существование высокоэнергетических нейтрино, исходящих из Млечного Пути, что ознаменовало новую эру в астрономии. «Эти нейтрино путешествуют по галактике, через Солнечную систему и проходят через Землю, прежде чем их обнаруживает IceCube», – рассказал доктор Лу Лу, профессор физики из Университета Висконсин-Мэдисон.
Впервые учёные подтвердили существование высокоэнергетических нейтрино в Млечном Пути в прошлом году. То есть мы можем составить карту Млечного Пути «глазами» нейтрино. По словам профессора Лу, «нейтринная карта» нашей галактики знаменует собой новую эру в астрономии, объединяя нейтрино, фотоны (свет) и гравитационные волны.
Поскольку нейтрино могут путешествовать из самых дальних уголков Вселенной – отслеживание их происхождения представляет серьёзную проблему, особенно из-за ограниченности данных об их обнаружении. Для развития этой области требуется разработка гораздо более крупных детекторов.
IceCube-Gen2 и Hyper-Kamiokande
«В настоящее время мы находимся на стадии исследований и разработок, направленных на развитие и совершенствование конструкции IceCub-Gen2. Это захватывающее время, когда мы становимся свидетелями реализации космических исследований на основе частиц и вносим свой вклад в развитие новых технологий для будущих поколений охотников за нейтрино», – говорит профессор Лу.
IceCube-Gen2 должна произвести революцию в нейтринных исследованиях, позволив учёным точно определить происхождение и энергию космических нейтрино. По словам профессора Лу, установка нового поколения на Южном полюсе будет оснащена значительно более чувствительными датчиками, в четыре раза превосходящими по эффективности свою предшественницу.
Тем временем в Японии проект Hyper-Kamiokande (Hyper-K) знаменует собой ещё один большой шаг вперёд. Этот массивный цилиндрический детектор высотой 72 метра и диаметром 68 метров, предназначенный для изучения различий между частицами и античастицами, путём наблюдения за осцилляциями нейтрино и антинейтрино.
Исследователи надеются, что после начала работы в 2027 году он также раскроет некоторые тайны космоса, открыв, возможно, новую главу в области физики. Каджита с оптимизмом оценивает потенциал Hyper-Kamiokande, особенно в проверке концепции CP-нарушения – тонких различий в поведении материи и антиматерии при определённых преобразованиях.
Hyper-Kamiokande – самый чувствительный детектор распада протонов, поэтому есть надежда, что он представит доказательства теории Великого объединения (ТВО). Такие открытия, добавляет Каджита, могут сыграть решающую роль в развитии нашего понимания физики частиц и фундаментальных сил Вселенной.
Разработка нейтринного детектора на жидком аргоне в Ферми
В сентябре этого года исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Батавия, Иллинойс, США) наблюдали первые взаимодействия с помощью своего детектора нейтрино.
Ранее, в 2023 году, они также обнаружили дополнительные свидетельства, что мюоны – субатомные частицы размером меньше атомов – вращаются гораздо чаще, чем ожидалось. Мюоны, обладающие коротким сроком жизни, быстро распадаются на электроны и нейтрино.
Они также обладают свойством, называемым спином, из-за которого ведут себя как крошечные магниты, раскачиваясь и вращаясь под воздействием магнитного поля. Исследователи ожидают, что более точные результаты их экспериментов будут получены к 2025 году.
Значительный прогресс достигнут и с помощью детектора нейтрино на жидком аргоне. Такие детекторы обеспечивают исключительную детальность регистрации нейтринных взаимодействий, превосходя возможности других методов обнаружения.
Когда нейтрино взаимодействуют с жидким аргоном, они производят заряженные частицы, которые обнаруживаются электронными компонентами, передающими сигналы на компьютер для анализа.
Однако сохранение чистоты жидкого аргона имеет решающее значение для точности обнаружения. Недавно междисциплинарная исследовательская группа открыла фильтрующий материал, способный удалять азотные загрязнения из жидкого аргона. Этот фильтр представляет собой слои материала, широко используемого в промышленности.
Далеко идущий потенциал нейтринных исследований
Проект Hyper-Kamiokande направлен на решение вопросов, которые могут значительно расширить наше понимание происхождения и эволюции Вселенной.
Хотя не стоит ожидать, что новые знания в области физики найдут немедленное применение для решения глобальных проблем, очень трудно предугадать, какие практические приложения могут в итоге получить новые направления развития – особенно если смотреть на десятилетия вперёд.
Когда квантовая механика только начинала изучаться около века назад, никто не мог предсказать её возможные применения, например, микроэлектронные чипы, обеспечивающие работу искусственного интеллекта, или лазеры, отвечающие за глобальную интернет-связь.
Так и нейтринная технология, например, может найти широкое применение в подводных коммуникациях, используя морскую воду в качестве среды обнаружения. Нейтринные исследования не только способствуют развитию инновационных технологий, но и решают сложные задачи, как дистанционный мониторинг ядерных реакторов и разработка передовых устройств связи.
Одним из перспективных направлений является использование нейтринного детектирования для дистанционного мониторинга ядерных реакторов и выявления признаков утечки расщепляющегося материала для незаконного производства ядерного оружия.
Масштабы нейтринных взаимодействий огромны, когда триллионы частиц ежесекундно проходят через наши тела, это требует от исследователей творческого подхода. Возможно, в будущем, устройство связи на основе нейтрино сможет передавать сигналы через Землю или даже через галактику.
Другая возможность – это усовершенствованные методы дистанционного мониторинга ядерных реакторов. Возможностей у таких технологий невероятно много.