Самый маленький детектор нейтрино

Всем привет! С вами Анна Шустикова и рубрика «Знай наших».

Помните, как-то раз мы уже говорили о нейтрино? Это такая частица с очень маленькой массой и без электрического заряда. Нейтрино может пролетать сквозь вас — да, да, прямо сейчас через вас пролетают миллиарды нейтрино. Да что там, нейтрино пролетают даже сквозь планеты и звезды, совершенно ни с чем при этом не взаимодействуя. Разумеется, ловить такие частицы не просто. В надежде зафиксировать хоть несколько нейтрино, ученые строят огромные установки, внутри которых — тонны вещества. Но совсем недавно физики, среди которых есть наши соотечественники, зафиксировали нейтрино с помощью маленького детектора. Он весит всего около 15 килограммов. Его можно даже взять в руки. Как им это удалось? Сейчас я вам расскажу.

Начну я, правда, издалека. С истории, которая предваряет чуть ли не каждый рассказ о нейтрино. На рубеже XIX и XX веков ученые открыли бета-распад. Это такой процесс, в котором атом одного элемента превращается в другой с образованием электрона. И все бы хорошо, если бы не одно «но»: энергия в этом процессе не сохранялась. Другими словами, не выполнялся один из важнейших законов физики. Что делать? Конечно, можно сказать, что фундаментальный закон не верен. Однако Вольфганг Паули предложил куда более изящное решение. Он предположил, что в этом процессе выделяется еще одна крохотная частица без заряда и массы. Закон сохранения в таком случае был бы спасен.

Отличная идея, не правда ли? Но тут перед физиками встал новый вопрос: как поставить эксперимент, чтобы доказать — да, нейтрино действительно существует? Чтобы ответить на этот вопрос, чуть подробнее разберемся с тем, в каких взаимодействиях участвует нейтрино. Согласно определению нейтрино, оно участвует в бета-распадах, или, как еще говорят, в слабых взаимодействиях. Из этого следует, что нейтрино может не только образовываться в процессе превращения одного атомного ядра в другое, но и запускать такое превращение. Если это произойдет, то в результате мы получим, во-первых, атом другого химического элемента, а во-вторых, электрон или его античастицу. Так давайте на этом и построим наш эксперимент. Поставим детектор туда, где в теории должно пролетать много нейтрино, например рядом с реактором на атомной станции, и будем смотреть, действительно ли атомы внутри детектора превращаются в какие-то другие. Звучит как хороший план эксперимента, не правда ли? Но есть одна загвоздка. Помните, в самом начале я говорила, что нейтрино могут пролететь через даже планеты и звезды, ни с чем не взаимодействуя. То есть даже если реакции с участием нейтрино действительно происходят, случается это очень и очень нечасто. Поэтому, чтобы зафиксировать хотя бы несколько нейтрино, детектор стоит сделать большим. Ведь чем больше внутри него атомов, тем выше вероятность, что хоть с каким-нибудь провзаимодействует нейтрино.

Такой эксперимент был поставлен в середине пятидесятых. И — ура! Существование нейтрино доказали. Чуть позже ученые узнали, что нейтрино такое не одно — у него есть еще два брата. А все потому, что у электрона нашли родственные частицы — мюоны и тау-лептоны, у которых есть связанные с ними частицы, соответственно, мюонное и тау-нейтрино. Более того, оказалось, что вопреки предположению Паули масса нейтрино не равна нулю. Каждое из трех типов нейтрино обладает своей массой, просто очень-очень маленькой. Точное значение этих масс ученым неизвестно, но уже сейчас понятно, что они где-то в миллиард раз меньше массы протона.

Впрочем, нейтрино интересно изучать не только для того, чтобы получше разобраться в их собственных свойствах. Нейтрино летят к нам от Солнца, от вспышек сверхновых и даже из центра Земли. При помощи этих частиц мы можем лучше разобраться в процессах, которые происходят внутри нашей родной звезды или в других частях Вселенной. Поэтому создание новых детекторов нейтрино — тема и сегодня весьма актуальная. Например, в 2006 году огромная установка Ice Cube начала регистрировать нейтрино, проходящие сквозь толщу льда в Антарктиде, а прямо сейчас на Байкале создается детектор, который улавливает нейтрино, проходящие через километровый слой воды.

Все эти установки работают по общему принципу: они регистрируют те или иные последствия бета-распадов. Однако 40 лет назад американский физик Даниэль Фридман показал, что раз уж нейтрино участвуют в слабых взаимодействиях, они должны не только вызывать распады ядер, но и рассеиваться на ядрах. После такого рассеяния состояние ядра атома должно немного изменяться. И все бы хорошо: события эти не столь редкие, как бета-распады, а значит, регистрировать нейтрино с помощью этого метода можно было бы и на компактных детекторах. Проблема в том, что эффект этот сложно измерить. Помните, во сколько раз нейтрино легче протона? А теперь представьте себе столкновение легкого шарика — например, для пинг-понга — с шаром для боулинга. Тяжелый шар почти не заметит этого удара. Что-то подобное происходит и при столкновении нейтрино с ядром.

И все же совсем недавно коллаборации ученых COHERENT удалось сделать компактный детектор нейтрино, который зарегистрировал рассеяние нейтрино на ядрах тяжелых элементов. Статья об этом вышла в журнале Science и первый автор статьи — это российский ученый, из ИТЭФ. Также в работе приняли участие физики из МИФИ и МТФИ.

Сам эксперимент проходил в США, в Теннесси. Детектор был установлен в подвальном коридоре лаборатории, который еще прозвали нейтринной аллеей. В 20 метрах от детектора был расположен источник нейтронов. Да, да, вы не ослышались, это источник тяжелых частиц, которые можно встретить в ядрах атомов. Однако помимо нейтронов он выпускает еще и немного нейтрино. Их и пытались — весьма успешно — зафиксировать ученые.

Теперь у людей есть компактный детектор нейтрино. Что дальше? Дальше мы сможем сделать больше компактных детекторов — они, конечно, обойдутся дешевле, чем гигантские нейтринные обсерватории. И, возможно, изучая нейтрино с помощью таких детекторов, мы сможем разгадать загадки этих частиц. Например, все-таки узнать массу. А еще такие детекторы будут полезны на практике. Помните, я говорила, что нейтрино возникают в реакторах атомных станций? Так вот, ученые уже давно надеются, что на атомных станциях можно будет не только изучать нейтрино, но и использовать наблюдения за нейтрино для мониторинга работы станций. А с компактными детекторами сделать это будет куда проще.

На этом все! Больше о нейтринной физике читайте на нашем сайте, смотрите видео, и — до встречи!

Анна Шустикова
Теги:

Читать еще на Чердаке: