Рубрика "Ядерная физика от А до Я". Научные сотрудники и преподаватели МИФИ объясняют термины из ядерной физики, физики элементарных частиц, астрофизики и космологии простыми словами.
Тема выпуска - упругое когерентное рассеяние нейтрино.
Рубрика "Ядерная физика от А до Я". Научные сотрудники и преподаватели МИФИ объясняют термины из ядерной физики, физики элементарных частиц, астрофизики и космологии простыми словами.
Сегодня буква Н - Нейтрино.
Нейтринная астрономия очень молода – ей всего около двух десятков лет. Ученые полагают, что изучение мельчайших и очень труднообнаружимых частиц может дать нам новую информацию о куда более крупных объектах, которую мы не смогли бы получить иначе.
Нейтрино – одна из частиц, предсказанных физиками еще до экспериментального обнаружения. Есть в физике элементарных частиц такое понятие как «бета-распад», при котором ядро атома испускает β-частицу, то есть хорошо знакомый нам электрон. Само явление открыли еще в конце XIX века, а в 1914 году Джеймс Чедвик (будущий первооткрыватель нейтрона) зафиксировал его энергетический спектр. Стало ясно, что образовавшиеся электроны вылетают в пространство, неся какую угодно кинетическую энергию, причем, как правило, меньшую, чем ожидалось.
Это было серьезным вызовом для научных умов: энергия исчезала непонятно куда. Под вопросом оказался закон сохранения энергии – основа основ современной физики.
В 1930 году Вольфганг Паули предложил модель распада, в результате которого кроме электрона образовывалась еще одна частица. Она и уносила избыточную энергию. Для ответа на вопрос «Почему эта частица до сих пор не обнаружена экспериментаторами?» потребовалось предположить, что она почти не взаимодействует с веществом.
Нейтрон захватывает нейтрино и превращается протон, испуская электрон
Это была очень смелая идея, видимо, поэтому Паули изложил ее не в журнальной статье, а в форме открытого письма участникам симпозиума в Тюбингене. Несколькими годами позже Энрико Ферми построил развернутую теорию β-распада. Он же ввел в оборот современное название: «нейтрино» по-итальянски означает «маленький нейтрончик». Сам Паули именовал частицу нейтроном, но это название впоследствии закрепилось за другим объектом микромира. Он же поспорил со своим другом, астрономом В. Бааде, на бутылку шампанского, что предсказанная частица не будет экспериментально обнаружена при жизни спорщиков. Неясно, как он планировал получить выигрыш, но, во всяком случае, он проспорил. Нейтрино впервые зарегистрировали в 1953 году, а Паули умер пятью годами позже. История умалчивает, купил ли он своему другу шампанское.
Объект изучения
Нейтрино – очень маленькая частица. До недавнего времени было вообще непонятно, есть ли у нее масса. В последние годы стало ясно, что есть, но очень маленькая. Ее точное значение неизвестно по сию пору, а имеющиеся оценки в общем сводятся к тому, что нейтрино примерно на 10 порядков легче протона. Примерно так же соотносится вес кузнечика (около 1 грамма) с водоизмещением современного атомного авианосца George Bush (около 100 тыс. тонн).
Частица не имеет, или почти не имеет, электрического заряда – эксперименты пока не дали однозначного ответа, а из всех фундаментальных физических взаимодействий достоверно участвует только в слабом и гравитационном.
Нейтрино подразделяются на три поколения (в литературе встречаются вариации этого обозначения, вроде «ароматы»): электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они обычно перечисляются в умных книжках именно в таком порядке, и это не случайно – так отображается последовательность их открытия. Кроме этого, есть еще антинейтрино – античастицы трех разных типов, соответствующих «обычным». Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это «нейтринными осцилляциями», за их открытие присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года.
Существует гипотеза о том, что кроме трех перечисленных поколений нейтрино есть еще и четвертое – стерильные нейтрино, привилегией которых является неучастие и в слабом взаимодействии. Возможно, именно они составляют пока не открытую нами темную материю. Неизвестно, существуют ли такие нейтрино на самом деле, но если они есть, то их обнаружение обещает быть по-настоящему нетривиальной задачей.
Какие они бывают?
Нейтрино – результат ядерных (и термоядерных, мы далее не будем выделять их отдельно) реакций. Их, неуловимых, очень много. По подсчетам физиков-теоретиков, на каждый нуклон (то есть протон или нейтрон) во Вселенной приходится около 109 нейтрино. Тем не менее, живя в этом «супе», мы совершенно его не замечаем. Частицы проходят сквозь нас, будто нас и нет.
Сверхчувствительный фотоэлектронный умножитель, отслеживающий черенковское излучение от торможения порожденных нейтрино мюонов в воде
Если нейтрино случится когда-то пролетать через стенку из свинца, то дальность свободного пробега частицы в нем составит в среднем 1015 км. Это расстояние вполне галактического масштаба – от нашей планеты до центра Галактики всего вдесятеро больше. Разумеется, такая величина означает, что регистрация отдельных нейтрино в детекторе технически возможных размеров реальна, если частиц много. Какая-то из них да попадется. Это немудрено, если учитывать их реальное количество. Так, на Земле через квадратный сантиметр площади каждую секунду пролетает примерно 6х106 нейтрино, образовавшихся на Солнце. А обычная статистика нейтринных событий для современных детекторов, размером куда больше сантиметра, – это единицы или первые десятки в год.
Громадная проникающая способность нейтрино кроме сложностей с регистрацией означает и очевидные выгоды. Нейтрино – это частица, которая летит прямо из того места, где она образовалась, никуда не отклоняясь. Направление прилета в большинстве случаев можно с какой-то точностью определить, а по энергии нейтрино часто (но не всегда) можно сказать, результатом какой реакции частица стала. Первое из этих свойств выгодно отличает нейтрино от всех остальных космических частиц, испытывающих по пути к нам влияние сторонних факторов в виде магнитных и гравитационных полей, а также непрозрачного для них вещества.
Трудности и прелести
Современные детекторы регистрируют не сами нейтрино – это пока невозможно. Объектом регистрации оказываются результаты взаимодействия частицы с веществом, заполняющим детектор. Его выбирают так, чтобы с ним реагировали нейтрино определенных, интересующих разработчиков, энергий. Поскольку энергия нейтрино зависит от механизма их образования, можно считать, что детектор рассчитан на частицы определенного происхождения.
Тут видится аналогия с привычной нам «электромагнитной» астрономией. Оптический телескоп даже визуально заметно отличается от своего радиособрата, они оба – от рентгеновского телескопа и т. п. Отличие даже заметнее, чем в «нейтринном» случае, где все устройства выглядят формально похожими. Параллель, однако, не совсем корректна – нейтрино разных энергий образуются в ходе процессов, происходящих на разных небесных телах, а волны разных частот – на одних и тех же.
Детектор Super-Kamiokande: огромный резервуар цилиндрической формы, помещенный под землю на глубине 1 км; изнутри весь покрыт фотоумножителями; заполняется дистиллированной водой
Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит. Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории – в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается – горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора – шахта в толще чистого известняка.
Еще одно важное требование – быть как можно дальше от атомных электростанций. Работающий ядерный реактор является очень мощным источником антинейтрино, которые в данном случае излишни.
Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории – прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального – нет. Эдакий естественный фильтр.
Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе. Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу – регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.
Осколки Большого взрыва
Когда-то давно Вселенная была маленькой и очень непрозрачной. Будущее вещество в ней было размещено настолько плотно, что пролететь сквозь него не могли даже нейтрино. Эта эпоха продолжалась, по стандартным представлениям, очень недолго: около 1–3 секунд. Затем пространство стало достаточно обширным, его содержимое разместилось посвободнее, и с тех пор до наших дней Вселенная практически прозрачна для нейтрино.
В ходе Большого взрыва и последовавших за ним событий наших частиц образовалось очень много, вероятнее всего, примерно столько же, сколько и фотонов. Последние, ныне составляющие реликтовое излучение, вокруг нас в изобилии. Если считать в штуках, то их примерно в миллиард раз больше, чем протонов с нейтронами.
Детектор, установленный в пещере Дэвис Сэнфордской подземной лаборатории в штате Южная Дакота в бывшей золотой шахте на глубине в полтора километра
Как и фотоны, нейтрино по мере расширения Вселенной постепенно остывали, и теперь их температура составляет примерно 3–4 К. Точнее, она должна быть такой, но проверить это пока не удалось.
Принципиальное отличие реликтовых фотонов от реликтовых нейтрино в том, что первые без особых проблем распознаются современной техникой, а вторые – нет. Речь идет о нейтрино, имеющих сверхнизкую энергию, и каким детектором можно их «поймать» – большой вопрос. Современная техника на такое достижение не способна, а среди профессионалов распространено мнение, что ее не будет как минимум до конца этого века.
В 2010 году сообщили о команде ученых из Массачусетского технологического института, которая пыталась засечь реликтовые нейтрино, наблюдая за распадом ядер трития. Этот изотоп водорода очень нестабилен, и чтобы «подтолкнуть» его ядро к распаду, достаточно воздействия любой частицы с ненулевой энергией. Не говоря уже о том, что оно может распасться и само, без всяких внешних воздействий (период полураспада – 12 лет). Отслеживая энергию получившихся осколков и помня о законе сохранения энергии, можно выделить среди них те, которые получились из самопроизвольно распавшихся ядер, и те, на которые подействовали какие-то внешние силы. В случае хорошо экранированного детектора это в большинстве случаев будут нейтрино. Последние можно поделить на нейтрино больших энергий, о которых мы и так много чего знаем, и нейтрино малых энергий – искомые реликты.
Все бы хорошо, но для реализации этого замысла нужна сверхчувствительная по нынешним временам техника. Наверное, именно по этой причине новостей о распадающемся тритии за последующие годы так и не поступило. Это достойно сожаления – обнаружение реликтовых нейтрино и возможность их хотя бы приблизительного подсчета очень помогли бы космологам в понимании того, как сформировалась Вселенная.
Солнечные нейтрино
Строго говоря, наше светило является источником точно таких же нейтрино, как и любая другая звезда. Разница главным образом в том, что Солнце гораздо ближе, а значит, солнечных нейтрино вокруг нас гораздо больше. Соответственно, и вероятность их обнаружения значительно выше. Энергии искомых частиц находятся в диапазоне от сотен кэВ до десятков МэВ.
Впервые обнаружили эти нейтрино в 1967 году на детекторе, размещенном в бывшей золотой шахте Хоумстэйк (Homestake) в Южной Дакоте.
В основе работы этого нейтринного детектора лежал хлор-аргонный метод: детектор представлял собой трехсотсемидесятилитровый бак, расположенный на глубине 1400 м и заполненный тетрахлорэтиленом (C2Cl4). Кроме «обычного» изотопа 35Cl в его составе присутствовал также и 37Cl, который, взаимодействуя с нейтрино, превращался в радиоактивный аргон (37Ar) с периодом полураспада 5 дней. Затем аппаратура регистрировала его распад, по факту которого и определялось обнаружение нейтрино. Столь вычурный путь был неизбежен при использовании техники того времени с ее точностью измерений, но он был весьма нерационален. Попадание нейтрино в детектор фиксировалось через продолжительное время после самого факта и способом, не позволяющим определить направление, в котором летела частица.
Устройство детектора нейтринной обсерватории Borexino
Сейчас поиск солнечных нейтрино ведут в нескольких обсерваториях. Наиболее знаменитая из них – нейтринная обсерватория Borexino в Италии. О ней мы и расскажем, тем паче, что ее конструкция во многом типична.
Детектор обсерватории размещен на глубине 1400 м в туннеле под горным массивом Гран-Сассо. Каменная толща над станцией по экранирующей способности эквивалентна 3,8 км воды.
Установка выполнена многослойной. Снаружи – стальной купол, заполненный 2100 т сверхчистой воды. Ее толща просматривается фотоэлектронными умножителями и играет роль предохранителя от космического излучения. Относительно немногие космические мюоны, которые сумели преодолеть каменную толщу, попадая в воду, движутся быстрее скорости света в ней (обратим внимание на то, что речь идет именно о скорости света в некоторой среде, в данном случае – в воде). Это значит, что энергия частиц расходуется на черенковское излучение в оптическом диапазоне. Распознав вспышку, автоматика отключает систему детектирования на две миллисекунды, избегая ложного срабатывания.
Это не новая идея, примерно так же была устроена защита от космических частиц еще в самом первом эксперименте по обнаружению нейтрино в 1953 году.
Ядром установки является большой (диаметром 13,7 метра) круглый стальной бак, заполненный сцинтиллирующей (то есть светящейся при попадании ионизирующих частиц) жидкостью. Количество излученных при вспышке фотонов пропорционально поглощенной энергии, так что, пересчитав фотоны, можно определить энергию частицы. Для сбора света на внутренней поверхности сферы установлены 2212 фотоумножителей.
Внешний слой сцинтиллятора (2,6 метра) выполняет роль еще одного экрана, блокирующего излучение от стали, в которой неизбежно есть какое-то количество радиоактивных элементов.
Следующий слой «луковицы» – нейлоновая сфера диаметром 8,5 метров, внутри которой находятся 278 тонн сцинтиллирующей жидкости. Поскольку в нейлоне тоже есть радиоактивные элементы, в «общий зачет» идут только те вспышки, которые удается зафиксировать в радиусе трех метров от центра ловушки. Считается, что вероятность проникновения посторонних частиц туда уже не очень велика.
Сам сцинтиллятор подвергается тщательной очистке, в результате которой содержание урана и тория в нем составляет около 10-18 г/г. Это очень мало. Для сравнения, в тонне любого природного вещества (в том числе и неочищенного сцинтиллятора) обычно содержится от 0,1 до 1 г урана и тория.
Используемые сейчас нейтринные телескопы могут заметно отличаться деталями, но их общие контуры примерно те же: подземелье и «луковичная» конструкция, обеспечивающая экранирование со всех сторон.
Обсерватория Borexino построена для «ловли» солнечных нейтрино с энергиями около 870 кэВ, образующихся при обратном бета-распаде бериллия в ходе одной из предсказанных теоретиками реакций. Как установлено в результате измерений, такая реакция в недрах Солнца действительно идет.
Достигнутый уровень подавления помех позволил перейти к регистрации нейтрино более низких энергий – от нуля до 420 кэВ. Такие частицы образуются при объединении двух протонов в ядро атома дейтерия. Их существенно больше, но в этом диапазоне также сильнее и помехи. Из-за этого данные нейтрино до сих пор практически не регистрировались. Оказалось, что их реальное количество (66±7 млрд нейтрино через квадратный сантиметр в секунду) неплохо соответствует предсказаниям (60 миллиардов). Это, конечно, вычисленные цифры, в реальности установка за день регистрировала в среднем 144 нейтрино на 100 тонн собственной массы.
Можно задаться вопросом, а насколько все это важно, если теоретики все и так правильно предсказали? В недра Солнца, увы, нельзя заглянуть непосредственно, можно лишь наблюдать испускаемые ими частицы. Теоретические модели, конечно, штука хорошая, но они могут быть разными, и в этом случае между ними надо выбирать. В любой момент любая из них может оказаться неверной, и тогда реальную картину надо будет как-то объяснять. Так уже было с потоком солнечных нейтрино, первые замеры которого показали, что его плотность примерно втрое отличается от предсказанного. В результате были открыты нейтринные осцилляции, которые требуют наличия у нейтрино массы, эта масса логически подводит нас к предположению о существовании стерильных нейтрино, а те (если они есть) могут оказаться темной материей.
Пришельцы из земных недр
Нейтринная геофизика формально не является темой нашей статьи, но как не рассказать о ней, раз уж взялись, тем более что наша планета, строго говоря, тоже является небесным телом не хуже и не лучше всех прочих.
В недрах Земли присутствуют радиоактивные элементы, попавшие туда при формировании планеты и до сих пор не распавшиеся. Как принято считать, наибольшую их долю составляют три изотопа: 238U, 232Th и 40K. Все три претерпевают распад с образованием, помимо прочих продуктов, электронного антинейтрино. Эти частицы далее разлетаются из места своего образования сквозь земную толщу, которая для них прозрачна.
Схема появления геонейтрино
К сожалению, антинейтрино от распада калия не ловятся современными детекторами, а вот изучение двух других случаев возможно и очень интересно. Напомним, что наша планета более-менее изучена бурением примерно на 10 километров вглубь при радиусе около 6370 км. Все, что находится глубже, известно нам исключительно по данным сейсмологии, которая позволяет проследить отражающие и преломляющие границы в толще пород. Что они представляют собой и как образовались, решается исходя из теоретических моделей.
Изучение испускаемых Землей нейтрино может помочь нам хотя бы понять, сколько в земном веществе радиоактивных элементов и где они, в основном, находятся. По части последнего существуют разные версии, начиная от того, что уран с торием – атрибут нижней части земной коры, и кончая тем, что источники радиации в ходе формирования планеты «утонули» к ее центру, и там существует нечто вроде ядерного реактора, причем периодически действующего.
Накопившиеся продукты распада, когда их становится достаточно много, останавливают цепную реакцию. Потом в раскаленной среде они потихоньку диффундируют наверх (они легче), освобождая место для новых порций делящегося материала, после чего процесс запускается снова. Если это так, то подобная цикличность могла бы помочь в объяснении перемен магнитной полярности Земли и, надо думать, во многом другом.
Интересен также вопрос о доле ядерных реакций в общем тепловыделении Земли. Напомним, что земные недра суммарно выдают порядка 47 ТВт тепла в год, но ученые до сих пор смутно представляют себе, какая часть этой энергии приходится на радиогенное тепло, а какая – на остаточное тепло, выделившееся когда-то при гравитационной дифференциации земного вещества.
Геонейтрино впервые надежно зафиксировали в упоминавшейся выше нейтринной обсерватории Borexino десять лет назад. В 2015 году работающие с полученными данными ученые опубликовали обзор итогов. Выяснилось, что суммарная тепловая мощность распадов урана и тория находится где-то в интервале от 23 до 36 тераватт. Радиоактивный распад и, соответственно, сами распадающиеся элементы, находятся как в земной коре, так и в мантии. То и другое в общем соответствует данным некоторых теоретических моделей и помогает сделать правильный выбор между ними. Неожиданным кажется пока высокое содержание урана в земных недрах – его примерно вдвое больше, чем думали. Говорить о том, что эти данные что-то опровергают, пока рано. За шесть лет на детекторе зафиксировали 77 «земных» нейтринных событий, из которых примерно две трети – реакторные нейтрино от АЭС, то есть помехи. Нужно больше данных.
Астрофизические нейтрино
Последняя часть нашего повествования посвящена нейтрино высоких и сверхвысоких энергий – от десятков тераэлектронвольт и выше. «Как так? – поинтересуется читатель. – У солнечных нейтрино верхний порог – десятки мэВ, а здесь сразу на много порядков выше. Куда делось недостающее?» Никакой тайны здесь нет. «Дырка» в диапазоне приходится на участок, в котором много нейтрино атмосферного происхождения, образующихся при попадании в воздух высокоэнергетических космических лучей (состоящих из протонов, электронов и т. п.). Высокоэнергетических частиц в космосе очень много, и бомбардировка Земли ими происходит непрерывно. Космические нейтрино тех же энергий до нас тоже доходят, но на фоне «мусора» теряются, и выделить их при современном уровне развития техники нельзя.
Подняв нижнюю границу интересующего нас диапазона до теравольт, мы оказываемся в области, где помех относительно немного. Нейтрино столь высоких энергий чаще всего имеют космическое происхождение, во многих случаях – даже внегалактическое. Давным давно, в одной далекой галактике взорвалась сверхновая или случилось еще что-то подобное – вот следы этого события и добрались до нас через миллиарды световых лет. Собственно, первый достоверный случай регистрации астрофизических нейтрино в 1987 году был приурочен именно к взрыву сверхновой в Большом Магеллановом облаке.
Обсерватория IceCube
С другой стороны, нейтрино сверхвысоких энергий в окружающем нас пространстве тоже очень немного. Это означает, что для их регистрации нужен детектор побольше. Метры и даже десятки метров не подойдут, речь пойдет об устройствах километровых размеров. Сделать бак таких размеров пока нельзя. Да и зачем?
Реализуемая сегодня в работающих и строящихся установках схема по своим принципам очень проста. В обычную воду на глубину пару-тройку километров опускают гирлянды светочувствительных элементов, образующие массив с заданным шагом по вертикали и горизонтали. Веществом детектора является собственно окружающая вода. Взаимодействуя с атомом любого из входящих в ее состав веществ, высокоэнергетичное нейтрино порождает частицы, скорость движения которых, под стать скорости самого нейтрино, очень велика – больше скорости света в воде. Движущаяся с такой скоростью частица испускает черенковское излучение, фиксируемое детекторами/фотоумножителями.
Устройство нейтринного детектора обсерватории IceCube
Визуальный эффект зависит от того, какое именно нейтрино нам попалось. Мюонные обычно порождают тонкие прямые треки, электронные и тау-нейтрино – широкие каскады, образованные множеством разлетающихся в разные стороны электронов и позитронов. В первом случае направление движения первоначальной частицы восстанавливается с точностью примерно до полуградуса, во втором ошибка его определения может доходить примерно до 15 градусов. Энергия нейтрино определяется по количеству излученных осколками черенковских фотонов.
Сейчас установок такого типа в мире очень немного – три штуки. На Южном полюсе уже несколько лет работает обсерватория IceCube. Как несложно догадаться, в данном случае вместо воды используется антарктический лед. В нем бурили (точнее сказать, протаивали термобуром) скважины, в них опускали гирлянды фотоумножителей, которые потом вмерзали в лед. Его прозрачность на глубине в пару километров оказалась даже лучше, чем думалось, что облегчает как сбор данных на сегодняшней установке, так и формирование планов по ее совершенствованию. Вполне возможно, что первоначальный объем в кубический километр будет в будущем увеличен в десять раз. Места в Антарктиде много.
Отслеживание вспышек от нейтрино ведется на IceCube автоматически. Если станция регистрирует два и более нейтрино, пришедших с небольшими интервалами примерно из одного места (направления полета частиц отличаются не более чем на 3,5 градуса), автоматически запускается поиск вероятного источника средствами электромагнитной астрономии, работающими в разных диапазонах электромагнитного излучения – от оптического (в том числе сеть «МАСТЕР») до рентгеновского (Swift) и гамма-излучения (VERITAS). Пока найти такие космические достопримечательности ни разу не удалось.
Детектор Ice Cube: размещен на Южном полюсе, чтобы регистрировать нейтрино, проходящие сквозь земной шар с Северного полушария, за источник очищенной воды использует антарктический лед; фотоумножители помещены вглубь льда
В феврале 2016 года «куб» засек сразу три нейтрино. Такое событие статистически ожидается примерно один раз в 13 лет, поэтому повод для настороженности есть. К сожалению, направления движения нейтрино разошлись на десятую долю градуса больше, чем нужно автоматике, поэтому поиск источника запустили вручную только через 22 часа. Найти ничего не удалось.
В июле 2018 года было объявлено о регистрации нейтрино сверхвысоких энергий, испущенных блазаром TXS 0506 + 056, который располагается в 4,33 миллиарда световых лет от Земли. Астрофизики надеются, что это открытие поможет им понять природу сверхмощных космических лучей и усовершенствовать методики наблюдения за ними.
В последние годы вышло несколько работ, авторы которых пытались сопоставить источники астрофизических нейтрино с источниками космических лучей и иными известными науке объектами. Пока очевидного успеха нет, но это не значит, что его не будет и дальше.
На Средиземном море достраивают телескоп KM3NeT (KM3 Neutrino Telescope), составной частью которого станет построенный еще в 2007 году ANTARES. На Байкале строят Baikal GVD. В обоих случаях говорить о полноценных результатах еще рано.
Подводя итоги, следует отметить, что нейтринная астрономия еще очень молода. Ей около двадцати лет, а наиболее многообещающим ее направлениям – и того меньше. Поэтому ожидать от нее полномасштабных результатов пока не стоит, но и те, что уже есть, смотрятся неплохо.
Вы там как, готовы к осенним распродажам? Чтобы не пропустить самые интересные и выгодные предложения, подпишитесь на полезный телеграм-канал Пикабу со скидками. Да, Пикабу не только для отдыха и мемов, но и для экономных покупок!
В «Пикабу Скидки» вы найдете актуальные предложения:
• доставки еды (KFC, Delivery Club, «Папа Джонс»);
• книги («Читай-город», «Литрес», Storytel);
• услуги и сервисы («Делимобиль», Boxberry, «Достависта»);
• маркетплейсы и гипермаркеты (Ozon, «Ашан», «Яндекс.Маркет»);
• одежда и обувь (Adidas, ASOS, Tom Tailor)
• бытовая техника и электроника («М.Видео», «Связной», re:Store);
• товары для дома (IKEA, «Леруа Мерлен», Askona);
• косметика и парфюмерия («Л’Этуаль», «Иль де Ботэ», Krasotka Pro);
• товары для детей («Детский мир», MyToys, Mothercare);
• образование («Нетология», GeekBrains, SkillFactory);
• аптеки и здоровье (Linzi.ru, iHerb, интернет-аптека 36,6);
• и еще куча-куча всего.
Далеко не все открытия в такой науке, как физика, совершаются целенаправленно. Порой самые значимые данные ученые получают неожиданно.
При изучении научного метода первым делом на ум приходит четкая процедура, которой можно следовать для понимания некоторых естественных феноменов. Начните с идеи, проведите эксперимент, а затем в зависимости от результата либо подтвердите, либо опровергните эту идею. Однако реальный мир намного запутаннее. Иногда при проведении эксперимента можно получить абсолютно отличный от ожидаемого результат. В некоторых же случаях правильное объяснение требует немалой фантазии, выходящей далеко за грани того, что смог бы логически заключить здравомыслящий человек. Можно сказать, что сегодня у нас есть довольно исчерпывающее понимание Вселенной, но история достижения этого понимания полна неожиданностей. И, скорее всего, со временем их будет появляться все больше. Вот пять самых больших из таких «внезапностей».
Скорость света не меняется даже при ускорении его источника
Представьте, что вы кидаете мяч так быстро, как только можете. В зависимости от того, какой это вид спорта, ваш бросок может достигнуть скорости до 45 метров в секунду — и это только при броске рукой. А теперь представьте, что вы едете в поезде или летите на самолете с очень высокой скоростью: скажем, 134 метра в секунду. Если вы сбросите мяч с поезда, двигаясь в направлении броска, насколько быстро он будет двигаться? Сложите скорости — и вы получите 179 метров в секунду. А теперь вообразите, что вместо того, чтобы бросить мяч, вы пускаете луч света. Значит, вы прибавляете скорость света к скорости поезда и… получаете абсолютно неверный ответ.
Именно это было центральной идеей Специальной теории относительности Эйнштейна, однако само экспериментальное открытие сделал отнюдь не он. Это в своей работе 1880 года продемонстрировал Альберт Майкельсон. Вне зависимости от того, пускаете вы луч света в направлении движения Земли, перпендикулярно ему или антипараллельно ему, — это не имеет никакого значения. Свет всегда движется с одинаковой скоростью: cо скоростью света в вакууме (299 792 458 метров в секунду). Майкельсон разработал интерферометр для измерения движения Земли через эфир, а вместо этого проложил путь к Теории относительности. Полученная им в 1907 году Нобелевская премия по сей день остается самым важным нулевым результатом в истории науки.
Интерферометр Майкельсона (сверху) показал незначительное смещение в световых моделях (снизу, сплошной линией) по сравнению с тем, что ожидалось в случае истинности галилеевской относительности (снизу, пунктиром). Скорость света была одинаковой, вне зависимости от того, куда был направлен интерферометр — в одном направлении с Землей, перпендикулярно или в обратную сторону / © Albert A. Michelson/E. Morley
«Недостающая энергия» и открытие «призрачной частицы»
Во всех наблюдаемых взаимодействиях между частицами энергия всегда сохраняется. Она может преобразовываться из одного типа в другой — потенциальную, кинетическую, массу покоя, химическую, атомную, электрическую и так далее, — но не может быть создана или уничтожена. Именно поэтому почти век назад ученые озадачились тем, что в некоторых радиоактивных распадах общая энергия их продуктов была ниже, чем у их реагентов. Это привело Нильса Бора к выводу о том, что энергия сохраняется всегда, кроме случаев, когда она теряется. И хотя Бор ошибался, верные идеи были у Вольфганга Паули.
Паули утверждал, что энергия должна сохраняться, и в 1930 году предложил новую частицу — нейтрино. Этот «нейтральный малыш» должен был не взаимодействовать электромагнитно, но при этом иметь миниатюрную массу и уносить кинетическую энергию. Несмотря на то что многие отнеслись к гипотезе скептически, проведенные в 1950-х и 1960-х годах эксперименты в итоге обнаружили как нейтрино, так и антинейтрино, что привело физиков к разработке Стандартной модели и модели слабого ядерного взаимодействия. Это удивительный пример того, как теоретические предсказания порой наталкивают на удивительные прорывы после разработки правильных экспериментальных техник.
99,9% массы атома находится в сверхплотном ядре
Вы когда-нибудь слышали о «пудинговой модели атома»? Сегодня это звучит странно, но в начале XX века это была общепринятая модель атомов, согласно которой атомы состояли из отрицательно заряженных электронов (ведущих себя как сливы), находящихся в позитивно заряженной среде (ведущей себя как пудинг), заполнявшей все пространство. Электроны можно выбить или изъять из атома, что объясняет феномен статического электричества. Долгие годы модель Джозефа Джона Томсона c маленькими электронами в позитивно заряженном субстрате была общепринятой. Пока ее не решил проверить Эрнест Резерфорд.
Резерфорд считал, что при пуске заряженных частиц (продуктов радиоактивного распада) по тонкому листу золота они целиком пройдут через него. И многие из них действительно прошли, но часть удивительным образом отскочила.
«Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», — вспоминал позже Резерфорд.
Схема эксперимента Резерфорда / © CK12
Он обнаружил, что атомное ядро, содержащее почти всю массу атома, было сжато в объем размером в одну квадриллионную (10-15) от всего размера частицы. Так родилась современная физика, заложившая фундамент для квантовой революции XX века.
Нестабильные высокоэнергетические «родственники» обычных частиц
Зачастую говорят, что прорывы в науке встречают не возгласом «Эврика!», а скорее чем-то вроде «Это забавно». Именно это и произошло в фундаментальной физике. Так, если вы зарядите электроскоп — в котором два листа проводящего металла подключены к другому проводнику, — оба листа получат один и тот же электрический заряд и в итоге будут отталкивать друг друга. Если поместить этот электроскоп в вакуум, они со временем потеряют заряд, хотя вроде бы не должны. Лучшая из предложенных идей касательно этой потери заряда заключалась в существовании высокоэнергетических частиц, «бьющих» по Земле из открытого космоса, — космических лучей — и в том, что электроскоп разряжает продукты этих столкновений.
В 1912 году Виктор Хесс провел эксперименты на воздушном шаре в поисках этих высокоэнергетических космических частиц, буквально сразу обнаружив их в большом количестве и став отцом космических лучей. Если соорудить камеру обнаружения с магнитным полем, можно измерить и скорость, и соотношение массы и заряда на основе того, как изгибается след частицы. При помощи этого метода были обнаружены протоны, электроны и даже первые частицы антиматерии, но удивительнее всего то, что Пол Кунце нашел след частицы, похожей на электрон, но в сотни раз превосходящей его по массе.
Фейнмановская диаграмма, описывающая превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино, объясняющее проблему несохранения энергии в бета-распаде / © Joel Holdsworth
Существование мюона, «живущего» 2,2 микросекунды, было позднее экспериментально подтверждено и зарегистрировано Карлом Андерсоном и Сетом Неддермейером. Когда о существовании мюона узнал нобелевский лауреат Исидор Раби, он сказал: «Ну и кто это заказывал?»
Позже выяснилось, что и у композитных частиц (вроде протона и нейтрона), и у фундаментальных (кварки, электроны и нейтрино) есть несколько поколений более тяжелых «родственников», а мюон стал первым из открытых представителей второго поколения.
Вселенная началась со взрыва — и выяснили это неожиданно
В 1940 году Георгий Гамов с коллегами предложили радикальную идею о том, что расширяющаяся и остывающая сегодня Вселенная была гораздо горячее и плотнее в прошлом. Если погрузиться глубоко в прошлое, мы получим достаточно горячую Вселенную для ионизации всего ее вещества. Если вернуться еще дальше, распадутся атомные ядра. Эту идею называли Большим взрывом, и согласно ей было сделано два важных предсказания:
Вселенная, известная нам, должна иметь в себе материю, состоящую не только из протонов и электронов, но и из смеси легких элементов, сплавленных вместе во времена ранней, высокоэнергетической Вселенной;
Когда Вселенная достаточно остыла для образования нейтральных атомов, появилось высокоэнергетическое излучение, вечно движущееся по прямой линии, пока она с чем-то не столкнется, сместится в красный спектр и потеряет энергию при расширении Вселенной.
Также было предсказано, что этот «космический микроволновый фон» — или реликтовое излучение — имеет температуру всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Согласно оригинальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, галактическя плоскость имела несколько астрофизических источников излучения (в центре), но над и под ней наблюдался только практически равномерный фон излучения / © NASA/WMAP
В 1964 году Боб Уилсон и Арно Пензиас случайно увидели остаточное свечение Большого взрыва. Работая с радиоантенной в лабораториях Белла, они обнаружили равномерный шум в любом наблюдаемом участке неба. И это не было Солнце, Галактика или земная атмосфера. Они понятия не имели, что это вообще такое. Ученые решили прочистить внутреннюю часть антенны швабрами, прогнав в процессе голубей, но шум не пропал. Только после того, как они показали результаты физику, знакомому с детальными предсказаниями группы из Принстона (Роберт Дикке, Джеймс Пиблс, Дэвид Уилкинсон и другие) и радиометром, который они строили для регистрации именно этого типа сигнала, стало понятно, насколько важна их находка. Так впервые в истории науки появились данные о происхождении Вселенной.
Оглядываясь на весь объем научных знаний, доступных сегодня, на силу научных предсказаний и на то, как столетия открытий изменили жизнь человечества, хочется думать, что наука — постоянная прогрессия идей. Однако это едва ли можно сказать об истории науки, полной сюрпризов и противоречий. Ученые, работающие на ее переднем крае, сталкиваются с рисками, исследуют новаторские сценарии и «бьют» в цели, по которым никто не бил раньше. Пусть истории, к которым мы обратились в этой статье, и полны успешных открытий, реальная история науки кишит тупиками, неудачными экспериментами и элементарными ошибками. Но, как бы то ни было, открытый ум, готовность и возможность испытывать идеи, а еще способность учиться на основе полученных результатов и пересматривать сделанные выводы — все это помогает не дать науке погрузиться во тьму и стремится к свету новых знаний.
Одним из самых значимых событий Года науки должен стать пуск гигантского нейтринного телескопа на озере Байкал. Он должен состояться 12 марта. О значении этой установки для российской и мировой науки "РГ" рассказал заместитель директора Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований доктор физико-математических наук Дмитрий Наумов.
– Дмитрий Вадимович, чтобы налогоплательщик понял и согласился потратить почти 10 миллиардов долларов на создание знаменитого Большого адронного коллайдера, ученые упаковали бозон Хиггса в красивую обертку - образ "божественной частицы". Она закрыла знаменитую Стандартную модель, которая признана самым выдающимся достижением теоретической физики XX века, объяснила, откуда берется масса. А как нас убедить, что надо пустить миллионы на охоту за каким-то непонятным нейтрино. У этой частицы даже массы почти нет. Словом, зачем в глубинах Байкала ловят нейтрино?
Дмитрий Наумов: Я бы привел такую аналогию. Археологи ведут раскопки, чтобы разобраться с эволюцией человечества, понять нашу далекую историю. Так вот нейтрино позволит заглянуть в историю Вселенной. Узнать, что в ней происходило миллионы и даже миллиарды лет назад. Как рождались и развивались галактики. Инструментом для реконструкции этих давних событий может стать именно нейтрино.
– А разве гигантским наземным телескопам и размещенным в космосе обсерваториям это не под силу?
Дмитрий Наумов: Во-первых, такие телескопы не все могут увидеть. Дело в том, что из плотных и горячих областей Вселенной свет может не выбраться или сигнал изменится до неузнаваемости. Во-вторых, чтобы оптическим телескопам было куда смотреть, им нужно указать точный адрес. Ведь небо огромно, телескопы не могут себе позволить шарить по бесконечному небу в поисках интересных объектов. Им нужны как можно более точные адреса, чтобы именно там максимально сосредоточиться и изо дня в день, из месяца в месяц вести наблюдения. Это долгий и тщательный процесс. Так вот наводчиками на космические адреса как раз и являются нейтрино. По сути, на наших глазах рождается новая наука - нейтринная астрономия. Еще совсем недавно это казалось фантастикой, а сейчас это уже реальность.
– Нейтрино называют самой разыскиваемой в истории физики элементарной частицей. Она подозревается в нарушении почти всех законов физики. От нее ждут ответа на множество вопросов, например, почему материи в ней больше, чем антиматерии, хотя после Большого взрыва их было поровну. Нейтрино уже прославилась: четыре нобелевские премии были вручены за открытия в нейтринной физике. А теперь она будет помогать в космических раскопках, указывая на определенные космические адреса. Как конкретно это происходит?
Дмитрий Наумов: Игра идет на главной особенности нейтрино - она очень слабо взаимодействует с материей, которая для этой частицы почти прозрачна. Как ее ловить, если она избегает любых контактов? Скажем, от Солнца эти частицы долетают до Земли, и через каждый квадратный сантиметр проходят триллионы нейтрино в секунду. Но мы их совершенно не замечаем. Мы для них как пустое место. А скажем, чтобы поймать половину нейтрино, излучаемых Солнцем, потребовалось бы залить свинцом всю область космического пространства от нас до ближайшей звезды Альфа Центавра.
– Нейтрино позволит заглянуть в историю Вселенной, узнать, что происходило в ней миллионы и даже миллиарды лет назад, как рождались и развивались галактики
Дмитрий Наумов: Такая слабость взаимодействия ставила физиков в тупик - как же ее увидеть, как с ней работать? Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии Вольфганг Паули, придумавший нейтрино чисто теоретически, вообще считал, что мы никогда не сможем увидеть эту частицу. Но не стоит недооценивать изобретательность экспериментаторов! Они научились ловить эту удивительную частицу и реконструировать историю Вселенной. Причем слабость взаимодействия нейтрино оказалась очень даже полезной!
– Как же удалось обратить этот недостаток в достоинство?
Дмитрий Наумов: Здесь надо вернуться на миллиарды лет назад, когда в нашей Вселенной только зарождались первые галактики. Тогда каждая звезда отчаянно боролась за свое существование. Более удачливые пожирали своих маленьких соседей и становились еще больше. Так происходило до тех пор, пока ненасытная звезда не превращалась в черную дыру, которая уже почти не светится. Но уже невидимая она продолжает пожирать своих соседей, увеличивая массу до миллионов и даже миллиардов масс Солнца. Причем падающее на дыру вещество нагревается и очень сильно светится. Называется это чудо света "активное галактическое ядро".
Что важно подчеркнуть? Выбраться из такого пекла, не растеряв изначальные энергию и направление движения, не могут ни электромагнитные волны, ни протоны, ни электроны, ничто другое. Только нейтрино. В этом их феномен. Вот почему слабость их взаимодействия это огромное преимущество. Самое главное, что нейтрино летят на Землю в неизменном виде, а значит, несут ценную информацию о происходивших миллиарды лет назад событиях во Вселенной, а также их адреса.
– Уже почти десять лет в Антарктиде ловит нейтрино американский телескоп IceCube. За эти годы улов, прямо скажем, небогатый, около 100 частиц. Что по ним можно реконструировать?
Дмитрий Наумов: Эксперименту на Южном полюсе удалось сделать замечательное открытие. Ученые обнаружили, что нейтрино с огромными энергиями, превышающими энергии солнечных нейтрино в сотни миллионов и даже миллиарды раз, действительно существуют. Значит, где-то во Вселенной работают природные ускорители, способные разгонять частицы до таких энергий, на которые мы на Земле с нашими ускорителями совершенно не способны. Это важное открытие?
– Думаю, да.
Дмитрий Наумов: Так вот для него достаточно даже одного нейтрино, а 100 уже просто подарок природы. Но где находятся эти природные ускорители? Какие физические механизмы ими управляют? Пока есть разные гипотезы. И мы надеемся, что пойманные нами нейтрино смогут точно указать направление, куда смотреть обычным телескопам.
Эксперимент на южном полюсе использует лед в качестве среды, с которой взаимодействует нейтрино. Но лед сильно перерассеивает свет, поэтому пока сложно с высокой точностью указать адрес, где родилось нейтрино. Вот тут-то и вступает в игру байкальский нейтринный телескоп. У него точность определения адреса в несколько раз лучше, чем в ледовом телескопе. И есть надежда найти источники нейтрино!
– Как вообще наш телескоп смотрится рядом с американским IceCube?
Дмитрий Наумов: Смотрится достойно. Мы начали строить телескоп в 2015 году, а IceCube начал работать в 2010-м. Поэтому мы пока меньше, но совсем чуть-чуть. Байкальский нейтринный телескоп уже самый крупный в Северном полушарии с эффективным объемом 0,35 кубического километра. В этом году по этому показателю мы догоним "южанина", доведя объем до 0,4 кубического километра. В перспективе эта цифра у нас составит около одного кубического километра. При этом, как я уже сказал, точность определения направления у байкальского телескопа в разы лучше.
Хочу подчеркнуть принципиальный момент. Хотя конкуренция всегда существует, так уж устроен современный мир, ученые понимают, что намного эффективней работать сообща. Поэтому и наш байкальский телескоп, и американский, а также строящийся телескоп в Средиземном море KM3NeT все вместе делают общее дело. Мы объединены в единую Глобальную нейтринную сеть.
– Американский телескоп стоит 270 млн долл., а наш в несколько раз меньше. Почему?
Дмитрий Наумов: Нам просто повезло. На Байкале два месяца в году поверхность озера покрыта метровым слоем льда. Это позволяет нам дешево и просто проводить монтаж телескопа и даже ремонтировать вышедшие из строя части. На Южном полюсе коллегам приходится протапливать отверстия во льду диаметром около метра и глубиной почти три км, чтобы погрузить туда свои детекторы. Это очень дорого. Также доставка детекторов на Байкал с развитой железнодорожной инфраструктурой гораздо легче и дешевле, чем спецоперации по доставке оборудования на Южный полюс.
– Кто участвовал в создании нашего телескопа?
Дмитрий Наумов: Пионерами в нашей стране и в мире были ученые из московского Института ядерных исследований РАН. Они создавали это направление исследований еще с 1980-х годов. И сейчас вместе с Объединенным институтом ядерных исследований из Дубны играют ведущую роль в проекте. Кроме того, в большой команде создателей этого телескопа принимают участие ученые и инженеры из Иркутского государственного университета, Нижегородского государственного технического университета, Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, Института экспериментальной и прикладной физики Чешского технического университета (Прага, Чехия), факультета математики, физики и информатики Университета имени Я.А. Коменского (Братислава, Словакия), Института ядерной физики Польской академии наук (Краков, Польша), компания EvoLogics GmbH (Берлин, ФРГ). Основными организаторами работ являются Институт ядерных исследований РАН и Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.
Крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD, построенный на озере Байкал, ввели в эксплуатацию в субботу 13 марта, рассказал министр науки и высшего образования России Валерий Фальков.
По словам Фалькова, это «позволяет рассчитывать на то, что открытия, которые будут сделаны, и информация, которая будет обработана, позволят много научных задач решить».
«В частности, мы рассчитываем, что наши коллеги все-таки внесут свой вклад, мы все вместе поймем, как устроена Вселенная, прочитаем историю Вселенной, как зарождались галактики», – добавил министр.
Директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), академик РАН Григорий Трубников заявил, что «с запуском телескопа «Байкал» мы абсолютно сразу становимся мировыми лидерами в области исследования свойств нейтрино».
«Байкал» будет крупнейшим нейтринным телескопом в Северном полушарии, и начало исследований на нем является очередным триумфом российской науки и международного научного сотрудничества», – добавил он.
По словам академика, телескоп позволит «регистрировать лучшую на порядок статистику нейтрино, чем это было возможно в предыдущие годы»: «С помощью «Байкала» мы сумеем зафиксировать гораздо больше высокоэнергетических частиц, чем раньше, и даже будем регистрировать частицы, которые родились раньше, чем Солнечная система. Это позволит нам лучше понять рождение, развитие и устройство Вселенной. В начале апреля планируем завершить наращивание новых кластеров телескопа».
Нейтрино – это одна из элементарных частиц, появляющихся в результате ядерных реакций, обладает феноменальной проникающей способностью. В середине 1930-х годов ученые вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких мегаэлектронвольт настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет.
В 2015 году за открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой, была присуждена Нобелевская премия по физике.
Установка класса мегасайенс «Байкальский глубоководный нейтринный телескоп» строится с 2015 года на 106-м км Кругобайкальской железной дороги на озере Байкал силами международной коллаборации Baikal-GVD.
Возведение установки происходит под патронажем исследователей из Объединенного института ядерных исследований (город Дубна) и Института ядерных исследований РАН (город Москва) с важным вкладом ученых и инженеров из российских научных центров и зарубежных исследователей, в частности из Чехии, Словакии и Польши.
Основными целями нейтринного телескопа являются обнаружение источников нейтрино сверхвысоких энергий, исследование эволюции галактик и Вселенной. Он также станет основой развития нейтринной астрономии и астрофизики.
В мире несколько нейтринных телескопов подобного типа – они все большие: в Средиземном море, в Антарктиде, в Китае и Японии. Они исследуют сигналы от высокоэнергичных нейтрино, прилетающих из космоса: из рождающихся или умирающих галактик и различных экзотических звездных объектов.
Самый крупный на данный момент нейтринный телескоп «Ледяной куб» располагается в Антарктиде и управляется международной коллаборацией. Его эффективный объем – почти половина кубического километра. Телескоп измеряет потоки нейтрино, влетающие из космоса со стороны Северного полюса, пронизывающие Землю и выходящие в районе Южного полюса.
Телескоп «Байкал» будет исследовать потоки нейтрино, «прошивающие» Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии, в районе Байкала. Два крупнейших нейтринных телескопа – антарктический и байкальский – создадут полную объемную картину («4p-геометрию») пронизывающих планету потоков сверхэнергичных частиц.
Плюс ко всему, этот телескоп является и элементом мониторинга экосистемы самого озера Байкал.
Самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD – уникальная “меганаучная” установка, необходимая для исследований Вселенной и создания новой астрономии и астрофизики, будет запущен в пятницу на Байкале. Этот телескоп даст ученым беспрецедентные возможности для проведения геофизических, гидрологических и лимнологических исследований, изучения эволюции галактик и Вселенной, отмечается в сообщении пресс-службы министерства науки и высшего образования РФ. В церемонии запуска, как ожидается, примут участие глава Минобрнауки Валерий Фальков, директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Московская область) академик Григорий Трубников и другие. Это событие станет одним из ключевых мероприятий в рамках проходящего в России Года науки и технологий.
О чем расскажут нейтрино
Новый телескоп даст ученым возможности, которых нет у огромных наземных обсерваторий и их “коллег”, размещенных в космосе. Как поясняют сами исследователи, во-первых, такие телескопы не все могут разглядеть, ведь из плотных и горячих областей Вселенной свет может не выбраться, а если все же выберется, то сильно изменится.
Во-вторых, чтобы оптическим телескопам было куда смотреть, их нужно навести точный “адрес”, а это долгий и тщательный процесс. Но надежными “наводчиками” на космические “адреса” как раз являются нейтрино – это нейтральные частицы, у которых нет заряда, малая масса, скорость, близкая к скорости света, и они очень слабо взаимодействуют с окружающим веществом. Ученые считают, что нейтрино могут без существенных изменений долетать до Земли из недр рождающихся или умирающих галактик и различных экзотических звездных объектов, и давать информацию о том, что и где происходило во Вселенной миллионы и даже миллиарды лет назад.
Поэтому для того, чтобы ответить на главные вопросы астрономии и астрофизики об эволюции галактик и Вселенной, ученым необходимо исследовать потоки нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников.
Почему на Байкале?
Это озеро оказалось очень подходящим для размещения нового телескопа. Дело в том, что для ловли нейтрино нужен большой объем максимально прозрачного вещества, с которым они взаимодействуют. Кроме того, телескоп надо защитить от различных фоновых процессов. Поэтому Байкал пригодился как нельзя лучше.
Первая версия Байкальского нейтринного телескопа появилась еще в СССР – ее строительство стартовало в 1990 году. Нынешний телескоп относится к новой, модифицированной версии. Ее сооружение началось в 2015 году.
Строительство Байкальского глубоководного нейтринного телескопа велось на 106-м километре Кругобайкальской железной дороги силами международной коллаборации. Проект развивался под руководством исследователей из ОИЯИ и Института ядерных исследований РАН. Свой вклад также внесли ученые и инженеры из российских научных центров (Иркутский государственный университет, Нижегородский государственный технический университет, Санкт Петербургский Морской государственный технический университет и др.) и ученые из Чехии, Словакии и Польши.
Новая установка состоит из системы глубоководных станций (вертикальных гирлянд) и стальных тросов, прикрепленных ко дну озера якорями. Наверху, на глубине 20 метров, система поплавков (кухтылей) поддерживает гирлянду в вертикальном положении. К тросу подвешены 36 оптических модулей на расстоянии 15 метров друг от друга. Также есть четыре электронных модуля, обеспечивающих электропитание, сбор данных, калибровку, синхронизацию и управление телескопом, и 3-4 гидроакустических модуля (модема) для точного позиционирования оптических модулей в водной среде.
Глубоководные станции объединены в кластеры. Каждый из них соединен оптоэлектрическим кабелем с береговым центром, где дежурные операторы и электрики ведут круглосуточный контроль за работой телескопа.
Мировая нейтринная сеть
Получаемые на Baikal-GVD данные сформируют экспериментальную базу исследований проблем астрономии и астрофизики элементарных частиц. Еще на стадии его создания телескопа благодаря его детекторам ученым удалось спрогнозировать 3-4 события от нейтрино высоких энергий астрофизической природы в 2021-2022 годах. Тот факт, что детекторы “поймали” потоки нейтрино и выделили эти частицы из многократно превышающего уровня шумовых и фоновых сигналов, уже является научным достижением мирового уровня.
Запуск телескопа на Байкале решает ключевую задачу формирования мировой нейтринной сети – создание в Северном полушарии детектора, сравнимого по чувствительности с американским детектором IceCube, ловящим нейтрино на Южном полюсе. Ожидается, что эффективный объем Байкальского нейтринного телескопа сравняется с IceCube уже в 2021 году, а в последующие годы и превзойдет его. Совместная работа двух этих установок, а также других телескопов, входящих в глобальную сеть, существующую с 2013 года (установки ANTARES, KM3NeT, IceCube, Baikal-GVD), позволит вести поиск источников нейтринного излучения на всей небесной сфере.
По сравнению с другими телескопами главными преимуществами Байкальского нейтринного телескопа являются физические характеристики рабочей среды – байкальского льда. Они позволяют восстанавливать события основного типа – сопровождаемые каскадами заряженных частиц с угловым разрешением порядка четырех 4 градусов. При этом достигаемая точность в IceCube – примерно 10–15 градусов. Это значит, что угловое разрешение российского телескопа в несколько раз лучше, и появление телескопа с такими характеристиками открывает беспрецедентные возможности для исследований в области нейтринной астрофизики и астрономии высоких энергий.
Астрономы связали нейтрино с черной дырой
Нейтрино считаются одними из самых трудноуловимых частиц. Они обладают чрезвычайно небольшой массой и практически ни с чем не взаимодействуют. Благодаря этому обстоятельству они способны проходить через целые планеты и даже звезды. Для поиска нейтрино ученые используют специальные детекторы. Их строят глубоко под земной поверхностью, как можно дальше от других источников частиц.
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-swift-helps...
Один из нейтринных детекторов расположен под антарктической станцией Амундсен-Скотт. 1 октября 2019 года он зарегистрировал нейтрино чрезвычайно высокой энергии, врезавшееся в антарктический лед с энергией более 100 ТэВ. Это, по крайней мере, в десять раз больше максимальной энергии, которая может быть достигнута в Большом адронном коллайдере.
В ходе последующего анализа исследователи достаточно быстро вычислили участок неба, откуда пришел нейтрино. Оказалось, что он совпадает с положением галактики 2MASX J20570298 + 1412165. Этот далекий объект привлек внимание астрономов 9 апреля 2019 года. Тогда расположенная в центре галактика сверхмассивная черная дыра, чья масса в 30 млн раз превышает солнечную, разорвала близко подошедшее к ней светило. Часть звездной материи была выброшена в космос, а часть осталась в аккреционном диске. В дальнейшем она разогрелась до большой температуры и начала ярко светиться.
По оценкам ученых, вероятность того, что это простое совпадение составляет всего 1 к 500. Основной вопрос заключается в том, где именно образовалось нейтрино. По одной из версий это внутренняя часть аккреционного диска, по другой — один из джетов черной дыры.
Это лишь второй раз в истории, когда астрономам удалось определить источник внегалактического нейтрино. Первый случай произошел еще в 1987 г. и связан со сверхновой SN 1987A, вспыхнувшей в Большой Магеллановом Облаке.
Земля, как известно, выделяет тепло. Чем глубже вы спуститесь, тем выше будет температура. На глубине 25 км температура достигает 750°C; в ядре она, как говорят, составляет 4000°C. Извержения вулканов, гейзеры и землетрясения - все это признаки внутренней электростанции Земли.
Средний тепловой поток поверхности планеты составляет 87 мВт/м2, то есть 1/10 000 энергии, получаемой от Солнца. Это означает, что Земля излучает в общей сложности 47 тераватт , что эквивалентно нескольким тысячам атомных электростанций. Источник тепла Земли в свое время оставался загадкой, но теперь мы знаем, что большая его часть является результатом радиоактивности.
В результате Большого взрыва образовалась материя в форме протонов, нейтронов, электронов и нейтрино . Для образования первых атомов потребовалось около 370 000 лет - протоны притягивали электроны, производя водород. Дейтерий и гелий образовались в процессе, называемом нуклеосинтезом Большого взрыва. К счастью для нас состав Земли включает в себя все природные элементы, от простейшего атома водорода до тяжелых атомов, таких как уран, углерод, железо - всю таблицу Менделеева. Внутри земных недр находится целый комплекс элементов, расположенных внутри различных слоев. Но все это теория и мы мало знаем о внутренней части нашей планеты. Самые глубокие шахты достигают глубины не более 10 км, в то время как радиус земли составляет 6500 км. Научные знания были получены посредством сейсмических измерений. Используя эти данные, геологи разделили структуру Земли на несколько слоев, с ядром в центре, твердым внутри и жидким снаружи, за которым следуют нижняя и верхняя мантия и, наконец, кора. Земля состоит из тяжелых, нестабильных элементов и поэтому радиоактивна, а это означает, что есть еще один способ узнать о ее глубинах и понять источник ее тепла.
Фото: SNOLAB
Несколько слов о радиоактивности - это обычное и неизбежное природное явление. Все на Земле радиоактивно, то есть все производит элементарные частицы (человек испускает несколько тысяч в секунду). Во времена Марии Кюри никто не боялся радиоактивности. Более того, считалось, что это оказывает благотворное влияние: кремы для красоты были сертифицированы как радиоактивные, а литература тех дней превозносила радиоактивные свойства минеральной воды. Морис Леблан писал о термальном источнике, спасшем его главного героя Арсена Люпена во время одного из приключений: «Вода содержала такую энергию и мощь, что делала ее настоящим фонтаном молодости, свойства которой проистекают из ее невероятной радиоактивности». (Морис Леблан, "La demoiselle aux yeux verts" , 1927)
Существуют различные виды радиоактивности, каждый из которых связан с высвобождением частиц и излучением энергии. Сейчас мы говорим о «бета-распаде», когда испускаются нейтрино. Электрон поглощается, как только он образуется, но нейтрино обладает удивительной способностью проникать через широкий спектр материалов. Вся Земля прозрачна для нейтрино, поэтому обнаружение нейтрино, порожденных радиоактивным распадом внутри Земли, должно дать нам представление о том, что происходит на ее самых глубоких уровнях. Для этого можно использовать геонейтрино - они предоставляют оригинальный способ исследования глубин Земли. Хотя их обнаружение непростая задача, поскольку они слабо взаимодействуют с веществом. Но некоторые детекторы способны осуществлять такого рода исследования.
Геонейтрино в основном возникают из тяжелых элементов с очень длительным периодом полураспада, свойства которых полностью изучены в результате лабораторных исследований: в основном это уран, торий и калий. Например, при распаде одного ядра урана-238 высвобождается в среднем 6 нейтрино и 52 мегаэлектронвольта энергии, переносимых высвобождаемыми частицами, которые затем оседают в веществе и выделяют тепло.
На практике же необходимо проводить совокупные измерения в месте обнаружения потоков. К исследованиям добавились два недавних эксперимента: с детектором KamLAND, весом 1000 тонн под японской горой, и детектором Borexino , который расположен в туннеле под горой Гран-Сассо в Италии и весит 280 тонн. Чтобы обнаружить нейтрино с Земли или космоса, нужен метод обнаружения, эффективный при низких энергиях. Нейтрино взаимодействуют с протонами, и полученные частицы излучают наблюдаемый свет.
KamLAND зафиксировал более 100 случаев, а Borexino - около 20, которые можно отнести к обнаружению геонейтрино, с коэффициентом неопределенности 20-30%. Нельзя точно определить их источник, но это общее измерение, хотя и довольно грубое, соответствует предсказаниям моделирования в пределах полученной низкой статистики. Поэтому традиционная гипотеза о некоем ядерном реакторе в центре Земли , состоящем из шара делящегося урана, как на атомных электростанциях, теперь исключена. Деление не является спонтанной радиоактивностью, а стимулируется медленными нейтронами в цепной реакции. В настоящее время разрабатываются новые, более эффективные детекторы: канадский SNO + и китайский Juno , которые улучшат наши знания о геонейтрино.
«Отнюдь не уменьшая его, добавление невидимого к видимому только обогащает последнее, придает ему смысл, завершает его». (Поль Клодель, «Позиции и предложения» , 1928 г.)
Подготовлено по материалам Phys.org
Ученые из ФИАН, МФТИ и ИЯИ РАН установили, что нейтрино высоких энергий рождаются вблизи черных дыр в далеких квазарах.
Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира. Астрофизики сравнили данные, полученные на нейтринном телескопе IceCube в Антарктиде, с радиоастрономическими наблюдениями квазаров. В результате удалось найти связь между космическими нейтрино и вспышками в центрах далеких активных галактик. Согласно современным представлениям ученых, в центрах таких галактик расположены сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается обратно, ускоряется и рождает нейтрино, которые затем со скоростью света летят через всю Вселенную.
Телескоп РАТАН-600 помогает разобраться, где рождаются нейтрино. Дизайнер — Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Нейтрино — мельчайшие и загадочные элементарные частицы. Даже их массу ученые до сих пор не знают, настолько она маленькая. Нейтрино свободно проникают сквозь предметы, людей и даже нашу планету. Нейтрино высоких энергий могут рождаться только с помощью протонов, разогнавшихся почти до скорости света. Нейтринная обсерватория IceCube, начавшая работу в 2010 году, регистрирует такие нейтрино и измеряет их энергии и направления прихода. Астрофизики решили сфокусироваться на анализе происхождения нейтрино сверхвысоких энергий — более 200 триллионов электрон-вольт. Авторы сравнили измерения телескопа IceCube с многочисленными наблюдениями неба в радиодиапазоне и установили, что эти нейтрино образуются в центрах квазаров с массивными черными дырами, аккреционными дисками и выбросами очень горячего газа. Более того, найдена связь между рождением нейтрино и вспышками радиоизлучения в этих активных галактиках.
«Наш результат говорит о том, что нейтрино высоких энергий рождаются в активных ядрах галактик, причем именно в моменты вспышек радиоизлучения. Поскольку и эти частицы, и радиоволны распространяются по Вселенной со скоростью света, мы “видим” их на Земле одновременно», — рассказал аспирант Александр Плавин из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ). Далеко не каждому везет получить такой результат уже на старте научной карьеры.
Статья российских астрофизиков опубликована в авторитетном Astrophysical Journal (работа также доступна из архива препринтов). В своей статье ученые на первом этапе показали, что направления, откуда на Землю приходят нейтрино сверхвысоких энергий, совпадают с положением ярких квазаров по данным сети радиотелескопов всего мира. На втором этапе физики решили проверить гипотезу о том, что нейтрино сверхвысоких энергий появляются в галактиках во время вспышек радиоизлучения. Для этого они использовали данные российского телескопа РАТАН-600, расположенного на Северном Кавказе, в Карачаево-Черкессии. Всего было проанализировано около полусотни нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube. Ранее источники таких нейтрино искали преимущественно в гамма-лучах, поскольку считалось, что нейтрино должны рождаться вместе с гамма-излучением.
«До нас ученые искали источник нейтрино высоких энергий, что называется, “под фонарем”. Мы же решили проверить нестандартную идею, не особо рассчитывая на успех. Но нам повезло! Многолетние совместные наблюдения на международных решетках радиотелескопов и замечательном российском РАТАНе позволили получить этот интереснейший результат. Именно радиодиапазон оказался ключевым для обнаружения источников нейтрино», — говорит Юрий Ковалев из ФИАН и МФТИ.
«Поначалу результат мне показался “слишком хорошим”, но, проведя детальный анализ данных и многочисленные проверки, мы подтвердили явную связь нейтринных событий с радиоизлучением, которую затем проверили по многолетним измерениям вспышек излучения на радиотелескопе РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории. Вероятность того, что этот результат случайный, составляет всего 0,2%. Это большой успех в нейтринной астрофизике, и теперь наше открытие требует теоретического объяснения», — заключает Сергей Троицкий из Института ядерных исследований (ИЯИ РАН).
Ученые собираются проверить свой результат и разобраться с механизмом рождения нейтрино в квазарах с помощью данных телескопа Baikal-GVD, который в настоящее время достраивается на Байкале и уже начал набор данных. Как в IceCube, так и в Baikal-GVD используются водные «черенковские» детекторы: большой объем воды (льда) позволяет увеличить число детектируемых нейтрино и одновременно защититься от случайных срабатываний детектора. Понятно, что без продолжающего свои наблюдения далеких галактик РАТАН-600, что близ известного многим Архыза, тоже никак не обойтись.
