Коварная природа субатомных частиц, как известно, затрудняет их измерение
Автор: Эмили Коновер
Старший научный сотрудник, физика
12 часов назад
Когда-то ученые сомневались, что нейтрино вообще можно наблюдать. Сегодня детекторы по всему миру, в том числе в эксперименте Дайя Бэй в Китае, улавливают сигналы этих призрачных частиц.
Послушайте эту статью
Это история, написанная человеком и озвученная ИИ. Есть отзывы? Примите участие в нашем опросе . (Ознакомьтесь с нашей политикой в области искусственного интеллекта здесь.)
Нейтрино были с нами с самого начала. Они существовали вместе с доисторическими людьми, динозаврами и первыми крупицами жизни на Земле. Рождение Солнечной системы, формирование космического каркаса Вселенной, мгновения после Большого взрыва — все это было заполнено легкими субатомными частицами, которым мы дали название нейтрино.
Но только в последние 70 лет мы узнали наверняка, что они там были. В 1956 году физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнс открыли существование этих частиц.
И они действительно существуют. И не в малом количестве. Они являются самыми распространенными массивными частицами во Вселенной, превосходя протоны численностью примерно в миллиард раз. Ученые все еще пытаются понять, что же представляют собой эти частицы. И нейтрино — это не просто один из типов частиц, а трио частиц — электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино — и соответствующие им частицы антивещества, которые физики в совокупности называют нейтрино.
У других частиц есть свои неизвестные, но “для нейтрино список вопросов глубже и фундаментальнее, чем для чего-либо другого”, — говорит физик-нейтрино Диана Парно из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге. Мы не знаем, являются ли эти частицы своими собственными античастицами или же в них скрываются дополнительные типы нейтрино. Некоторые ученые задаются вопросом, могут ли нейтрино объяснить, почему Вселенная заполнена материей и содержит лишь небольшое количество антивещества.
Возможно, самое поразительное, что мы не знаем масс частиц. Мы знаем, что их массы должны быть невероятно малы, но не равны нулю. Это делает их чрезвычайно трудными для измерения.
Что еще более усложняет ситуацию, нейтрино не имеют электрического заряда и взаимодействуют с другой материей посредством слабого эффекта, называемого слабым взаимодействием. Это заставило Рейнса и Коуэна разработать новые методы их обнаружения. Их работа создала прецедент: для изучения нейтрино необходима изобретательность.
Как охотники за нейтрино добились успеха
В 1930 году физик Вольфганг Паули предположил существование нейтрино, чтобы объяснить энергию электронов, испускаемых при радиоактивных распадах. При этих распадах, называемых бета-распад, одно ядро превращается в другое, испуская электрон. При преобразовании выделяется определенное количество энергии. Если бы испускался только электрон, можно было бы ожидать, что при определенном распаде образуются электроны с определенной энергией. Вместо этого электроны наблюдались с различными энергиями. Ситуация была настолько отчаянной, что некоторые физики рассматривали возможность отказа от концепции сохранения энергии, являющейся основополагающим принципом физики. Вместо этого Паули предположил, что также высвобождалась частица, не имеющая электрического заряда, которая несла некоторое количество энергии. Как сообщается, он сказал: “Я совершил ужасную вещь, я постулировал существование частицы, которую невозможно обнаружить”.
Паули ошибался, но частицы действительно оставались незамеченными в течение 25 лет. Эксперимент Рейнса-Коуэна проводился на ядерном реакторе. Поскольку в ядерных реакторах происходит много радиоактивных распадов, они были бы мощным источником нейтрино, если бы частицы существовали. (Более конкретно, эти частицы были бы антинейтрино.) Эксперимент, проведенный на заводе в Саванна-Ривер в Южной Каролине, был гораздо более практичным, чем первоначальный план: опустить детектор в подземную шахту, устланную перьями и поролоном, и одновременно взорвать атомную бомбу неподалеку.
Суть эксперимента на реакторе заключалась в измерении двух последовательных сигналов. Когда антинейтрино взаимодействовало с протоном в детекторе, оно производило нейтрон и позитрон — аналог электрона из антивещества. Позитрон быстро аннигилировал бы с электроном, испуская высокоэнергетический свет, называемый гамма-лучами, который можно было бы обнаружить в жидкости, называемой сцинтиллятором, которая загорается в ответ на излучение. Нейтрон некоторое время блуждал вокруг своей оси, прежде чем был захвачен ядром, которое испускало больше гамма-лучей и вызывало замедленную вспышку в сцинтилляторе.
Физики Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн наблюдали за экспериментом на ядерном реакторе в Южной Каролине в 1956 году. Эксперимент подтвердил существование призрачных субатомных частиц, называемых нейтрино.
Детектор Коуэна и Рейнса был сконструирован в виде клубничного сэндвича с тремя слоями жидких сцинтилляционных детекторов, разделенных двумя слоями материала мишени. Мишень содержала воду и хлорид кадмия, причем последний был выбран из-за его способности улавливать блуждающие нейтроны. Двойная вспышка, возникшая в соседних слоях детектора, была отличительной чертой антинейтрино, убедительным свидетельством его образного сердцебиения.
Без этого сердцебиения, отфильтровывающего ложные события, Рейнс и Коуэн не смогли бы обнаружить антинейтрино в реакторе. Это творческое решение проблемы, которая когда-то считалась неразрешимой, принесло Райнсу Нобелевскую премию по физике 1995 года (Коуэн умер в 1974 году).
С тех пор ученые регистрировали нейтрино, используя антарктический ледяной щит, Средиземное море и проводя эксперименты глубоко под землей. Ученые обнаружили нейтрино, образующиеся на Солнце, глубоко внутри Земли, в атмосфере и в космосе, в том числе при взрыве звезды в соседней галактике. Эксперименты показали, что частицы колеблются или трансформируются из одного типа в другой. Это явление может произойти только в том случае, если нейтрино обладают массой, но оно не показывает, насколько они массивны.
Новые методы направлены на раскрытие сущности нейтрино
Открытие того, что нейтрино обладают массой, противоречит физической теории элементарных частиц, стандартной модели. Основная теория предполагает, что нейтрино не имеют массы. Таким образом, нейтрино — это путаница.
“Есть что-то еще, выходящее за рамки стандартной модели, о чем говорят нейтрино, и мы пытаемся выяснить, что это такое”, — говорит физик Энектали Фигероа-Фелисиано из Северо-Западного университета. “Мы хотим измерять нейтрино всеми возможными способами, потому что они не всегда ведут себя так, как мы от них ожидаем”.
Поэтому физики продолжают совершенствовать детекторы. В 2017 году ученые впервые обнаружили, что нейтрино взаимодействуют сразу со всем ядром, а не с отдельным протоном или нейтроном. Такие реакции встречаются чаще, чем взаимодействия с протонами или нейтронами, но для обнаружения мягкого воздействия нейтрино на ядро требуются высокочувствительные датчики. Детекторы улавливают вспышки света, генерируемые при отскоке ядер в кристаллах. Эти обнаружения были связаны с лабораторными источниками нейтрино, но ученые также заметили этот процесс, инициированный антинейтрино с более низкой энергией из ядерных реакторов, о чем исследователи сообщили прошлым летом в журнале Nature. Это открывает возможности для использования технологии детекторов для мониторинга ядерных реакторов в целях разработки оружия.
Для еще более точного измерения нейтринно-ядерных взаимодействий Фигероа-Фелисиано планирует использовать датчик переходной границы — по сути, чрезвычайно чувствительный термометр — для определения тепла, выделяемого отскакивающими ядрами. В случае успеха этот подход позволит ученым протестировать стандартную модель по-новому.
Другая команда использует датчики переходных границ, чтобы попытаться определить массу нейтрино. В эксперименте Холмса в Италии используются датчики переходных границ, встроенные в радиоактивный элемент гольмий-163. Когда гольмий распадается, он превращается в другой элемент и испускает нейтрино. Выходящее нейтрино вызывает отдачу ядра. Измерение этой отдачи может дать представление о массах нейтрино. Исследователи HOLMES сообщили прошлой осенью в Physical Review Letters, что этот метод устанавливает предел массы нейтрино, хотя он пока не превосходит другие методы ограничения массы нейтрино.
У физика из Йельского университета Дэвида Мура есть другой план измерения отдачи с помощью наносфер, которые украшены радиоактивными элементами и поднимаются в воздух с помощью лазерного луча. Наблюдение за движением наночастиц, когда они отскакивают после радиоактивного распада, может выявить, есть ли какие-либо более тяжелые нейтрино, которые прячутся, и, возможно, однажды определить массы известных нейтрино. В 2024 году Мур и его коллеги продемонстрировали доказательство принципа, измерив отдачу, возникающую при радиоактивном распаде, при котором испускается альфа-частица, ядро атома гелия. Нейтрино — это следующий шаг, говорит Мур.
Масса нейтрино представляет не только теоретический интерес. “важно знать массу не только ради нее самой, но и потому, что масса нейтрино важна для космологии”, — говорит физик Маттео Боргези из Миланского университета Бикокка, который работает над исследованием Холмса. Массы нейтрино помогли сформировать структуру галактик. Ученые могут использовать этот факт, чтобы попытаться определить максимально возможную массу нейтрино, наблюдая за галактиками в космосе. Но и по поводу этих чисел возникают вопросы. По-видимому, существует противоречие между тем, что обнаруживают наземные эксперименты, и тем, что ученые оценивают на основе данных о космосе.
Может показаться, что коварство является частью природы нейтрино. Но трудности в их понимании в основном связаны с их крошечными массами и слабыми взаимодействиями. “Не похоже, что нейтрино сидит и думает: ”Ладно, что я могу сделать с этими физиками?» — говорит Парно, разводя руками и шевеля пальцами в притворном негодовании.
Но кажется, что частицам каким-то образом суждено проникнуть физикам под кожу. Они немного напоминают одну из загадок Безумного Шляпника. Что является чем-то важным для структуры Вселенной, но в то же время незаметным? Как можно узнать, что частица обладает массой, не зная ее массы?
Как можно обнаружить необнаруживаемую частицу?
По крайней мере, в этом Рейнз и Коуэн превзошли Безумного шляпника.