Навеяно статьей про IceCube и первые пойманные нейтрино прямой генерации.
Несомненно, это великое достижение для нейтринной астрофизики, и вообще всей физики в целом. Событие, по масштабам сравнимое с открытием бозона Хиггса, и не менее интересное. Однако хотелось бы уточнить несколько моментов описанных, как в самой статье, так и в комментариях к ней.
Для начала суть процесса
Как было сказано в исходной статье, огромное количество детектирующих элементов (фотоэлектронных умножителей) было вморожено в антарктический лед для детектирования нейтрино высоких энергий. Проблема в том, что нейтрино не обладает зарядом, практически не обладает массой и почти не взаимодействует с веществом. Как сказал Вольфганг Паули, предсказавший его существование:
Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально.
Однако позднее в 1934 году было открыто излучение Вавилова-Черенкова, описывающее свечение частицы, движущейся со скоростью больше скорости света в среде (именно в среде, т.к. скорость света в вакууме в классической физике превысить нельзя). Именно этот процесс используется для детектирования нейтрино, которое, хотя и крайней редко, но оно все-таки взаимодействует с веществом, рождая родственные лептоны. Эти частицы забирают львиную долю энергии нейтрино, что позволяет им двигаться в среде с той самой скоростью, большей скорости света в среде, и они светятся. Этот свет свободно распространяется (на малые расстояния) в воде, или льду, этот свет и детектируют ФЭУ.
Типы нейтрино
В данный момент физика знает нейтрино трех типов — по трем типам известных лептонов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Так же предсказывается (и в некоторой мере подтверждается) существование, так называемого, стерильного нейтрино — нейтрино с нулевым лептонным числом. Такая частица не будет участвовать в слабом взаимодействии, а значит не будет взаимодействовать с веществом и рождать родственные лептоны. Стерильное нейтрино невозможно поймать при помощи черенковского детектора. Эти стерильные нейтрино исследуются в процессах нейтринных осцилляций — спонтанных превращений нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. Однако для исследования подобного процесса нам необходимо знать, какие нейтрино вылетели и какие попали в пункт назначения. По различию можно сказать, что содержимое изменилось в процессе. Для подобных экспериментов используют нейтрино рожденные в ускорителях, поскольку мы знаем, какие частицы мы создали и какие потом поймали.
Система фильтрации
Детектор направлен вниз, и соответственно, использует в качестве фильтра всю Землю. Это необходимо, потому что поток космических лучей «сверху» создает огромное количество фоновых событий, за которыми разглядеть крайней редкие взаимодействия нейтрино невозможно. Нейтрино, пролетевшее сквозь землю, взаимодействует с веществом, рождая мюон, или электрон (в зависимости от типа нейтрино). Электрон хорошо взаимодействует с веществом и создает мощный, но короткий ливень, который виден, как яркая точка в детекторе. Мюон способен пролететь некоторое расстояние в толще земли и, при помощи эффекта Вавилова-Черенкова, создает длинный трек, по которому можно определить направление движения частицы. Так же мюон ионизирует вещество на своем пути, создавая небольшие ливни на всем протяжении трека. По интенсивности этих ливней можно определить энергию нейтрино.
Что касается нейтрино, рожденного в центре Земли, они рождаются в результате бета-распада, а значит в подавляющем большинстве являются электронными (без учета осцилляций). Так же у этих нейтрино гораздо меньшая энергия, что легко отличить в детекторе. А поскольку сечение взаимодействия растет вместе с энергией, то и взаимодействуют они на много порядков реже.
Нейтринные телескопы
IceCube, конечно же не первый нейтринный телескоп. Их история тянется с детектора DUMAND, поставленного у Гавайских островов, работы по нему были прекращены в 1994 году. Далее был Байкальский НТ200, американская Amanda (предшественник IceCube), европейский Antares, греческий Nestor, итальянский Nemo. Но все это небольшие детекторы, на которых были получены весьма важные результаты, однако их потенциал уже исчерпан. Да, когда-то Байкальский нейтринный телескоп был первым в мире крупным (по тем временам) нейтринным детектором, функционирующим в естественной среде. И достигнуто это было не в светлом Советском Союзе. Телескоп был построен вопреки всему небольшой группой людей в промежуток времени с 1993 по 1998 годы.
Современной же физике нужны масштабные детекторы с эффективным объемом порядка кубического километра. Такой детектор в мире существует один — американский IceCube. Так же существует проект объединенного европейского детектора KM3NeT и проект нового Байкальского детектора НТ1000. Однако в Европе кризис, а в России… в России — ФАНО.
В чем же уникальность этих 28 нейтрино?
А уникальность в энергии. Есть такой эффект Грайзена-Зацепина-Кузьмина, который запрещает детектирование на Земле космического излучения с энергией выше 1019 эВ. Нейтрино — наш единственный шанс преодолеть эту границу при исследовании вселенной. А еще нейтрино такой энергии — это нейтрино прямой генерации, рожденное где-то далеко, при каком-то, возможно, до сих абсолютно неизвестном нам процессе. А еще нейтрино от сверхновой — это нейтрино от известного источника, а эти 28 событий сами покажут нам новые источники, которые другими средствами мы увидеть не смогли бы никогда (по крайней мере в рамках современного развития науки и техники).
Русские не сдаются
Не смотря на то, что создание нейтринного телескопа сложно, дорого и, в современных реалиях, практически невыполнимо, коллаборация Байкал продолжает создавать свою установку. Проблема в том, что детектор смотрит сквозь Землю, и в этом плане у нас есть преимущество, которого никогда не будет у американцев. Центр галактики — самая интересная часть нашей вселенной расположена в южном полушарии. В этом плане конкурентом Российскому проекту является европейский, а IceCube дополняет его, поскольку смотрит в другую сторону. К тому же у чистой (пока еще) Байкальской воды есть некоторые оптические преимущества перед антарктическим льдом. И если Байкальский проект будет завершен, то велика вероятность, что полученные данные будут еще интереснее, чем у американцев.
Я не буду ничего говорить про параллельные измерения и теорию суперструн, если кому интересно, прочитайте «Элегантную вселенную» Брайана Грина, это наиболее популярная, понятная и очень качественная книга от одного из создателей теории. Скажу только, что имея профильное высшее образование, я от туда мало что понял.
Автор: ZloyHobbit
