Призрачные гости: что известно о нейтрино и как человечество может использовать частицу

Достаточно сказать, что без нейтрино Вселенной не было бы вовсе. Частица принимает непосредственное участие в термоядерных реакциях — таких, например, какие происходят на Солнце, в результате чего водород превращается в гелий. Одним из эффектов этих превращений является вылет из ядра атома нейтрино, которые «уносят» энергию из точки прошедшей реакции. Сверхмалые размеры и высокая проникающая способность позволяют нейтрино преодолеть по прямой путь от Солнца до Земли, пролететь сквозь планету и двигаться дальше.

«Аромат» элементарных частиц

Американская обсерватория для изучения нейтрино под названием IceCube («Ледяной куб») располагается на Южном полюсе. Детектор, фиксирующий «призрачные частицы», находится под толщей льда: струны, на которых расположены более 5 тыс. датчиков, вертикально протянуты на глубине от 1450 до 2450 метров.

• © IceCube Collaboration

С января 2006 года детектору удалось зафиксировать лишь 100 тыс. нейтринных событий, и это при том, что сквозь окружающее пространство и сквозь всех живых существ на планете проходят триллионы нейтрино в секунду. При этом рассмотреть нейтрино невозможно. Определяют их только по столкновению с другими частицами, что происходит нечасто — именно поэтому ради скудных выводов частицы приходится изучать при помощи огромной обсерватории.

Масса этих частиц, предположительно, чрезвычайно мала — настолько, что её до сих пор не удалось точно измерить. Нейтрино не имеют заряда и связаны с другими элементарными частицами — электронами, мюонами и тау-лептонами. Эти соответствия, виды нейтрино в зависимости от типа взаимодействия с иными частицами, называют «ароматами» или флейворами. С ними и связано одно из последних наблюдений учёных.

«Есть три активных, как мы говорим, флейворных состояния нейтрино: мюонное, электронное и тау-нейтрино. Также существуют три массовых состояния: m1, m2 и m3. В каждом флейворном состоянии в разных пропорциях представлены эти три массы, то есть полностью они не совпадают. Когда нейтрино летят, то за счёт того, что их массы отличны от нуля, частицы могут переходить из одного состояния в другое: мюонные становятся электронными, электронные мюонными и так далее. Этот эффект — осцилляцию — открыли порядка 20 лет назад», — пояснил RT доктор физико-математических наук, заведующий Лабораторией физики электрослабых взаимодействий отдела физики высоких энергий ИЯИ РАН Юрий Куденко.

Теперь, согласно заявлению научного сотрудника Мичиганского университета Джошуа Хигнайта, обсерватории IceCube удалось установить, что одно нейтрино может сочетать в себе два «аромата» в равных количествах.

По мнению Куденко, пока есть причины сомневаться в этом выводе. Дело в том, что для утверждения верности этих данных должны подтвердиться другие: переход из 2-го в 3-е массовое состояние требует определённого значения, так называемого угла смешивания — одного из параметров, важных для осцилляции. 

«Как следует из публикаций, это утверждение касается угла смешивания theta_23 между вторым и третьим массовыми состояниями. Если этот угол равен 45 градусам, на что указывает эксперимент Т2К (нейтринный эксперимент, проведённый в Японии. — RT), и сейчас это подтверждает с худшей точностью IceCube, то утверждение Хигнайта верно. Однако результаты эксперимента NOVA показывают, что требуемый угол смешивания не равен 45 градусам. Поэтому приходить к какому-либо заключению сейчас рано. Измерения величины этого угла, или, другими словами, действительно ли два аромата одинаково смешиваются, является одной из актуальных задач осцилляционной нейтринной физики», — рассказал специалист.

Новая надежда

Если же наблюдения специалистов обсерватории IceCube подтвердятся, такое сочетание может оказаться чистым совпадением — или стать поводом для разработки новой теории взаимодействия элементарных частиц, которая выходит за рамки так называемой стандартной модели.

Это важное обстоятельство, поскольку стандартная модель — устойчивая теория, хорошо объясняющая три типа взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное. Впрочем, эта теория не объясняет существование тёмной энергии и тёмной материи — а они, предположительно, широко распространены во Вселенной.

«Стандартная модель — очень точная теория, однако в ней остаются белые пятна, например, такие, как происхождение тёмной материи или вопрос о том, как так вышло, что после Большого взрыва Вселенная наполнилась материей, а не антиматерией. Мы пока не знаем, как это объяснить. Мы надеемся, что, исследуя качества нейтрино — их массу и процесс осцилляции, — наконец, сможем приблизиться к ответам», — пояснил доцент Мичиганского университета Тайс Деянг.

По словам исследователей Мичиганского университета, нейтрино в некотором смысле превратилось в новую надежду физиков, занимающихся элементарными частицами.

«Мы надеялись, что бозон Хиггса (элементарная частица, открытая в 2012 году при помощи Большого адронного коллайдера. — RT) укажет нам на новую физику за границами стандартной модели, — делится Деянг. — К сожалению, измерения бозона Хиггса дали не так много. Теперь мы надеемся открыть что-нибудь, изучая нейтрино». 

• © IceCube Collaboration

Сквозь стены реактора и толщу Земли

Хотя само нейтрино всё ещё требует тщательного изучения, по мнению Юрия Куденко, частице уже можно найти применение.

«Например, следить за наработкой ядерного топлива. Предположим, что в какой-нибудь подозрительной стране есть реакторы и люди теоретически могут заняться производством ядерного оружия. При помощи нейтрино можно контролировать, как эти реакторы работают: достаточно поставить детектор на дальнем расстоянии и следить за тем, что происходит в том или ином реакторе. Так можно получить данные о его активности, узнать, что там загружают», — рассказал эксперт.

Также в перспективе с помощью нейтрино можно изучать сердцевину Земли. «Нейтрино проходят через материю, в малой степени, но всё же взаимодействуя с ней, — пояснил Куденко. — Нейтрино рождается в ускорителе, в реакторе, а детектор стоит на расстоянии десятков или сотен километров от него. Таким же образом можно использовать интенсивный ускоритель, интенсивные пучки нейтрино и простреливать ими Землю, а с другой стороны ставить детектор — притом желательно, чтобы он был подвижным. И тогда можно будет серьёзно «рассмотреть» структуру и устройство Земли».