Все новости

Неуловимая частица. Зачем российские астрофизики ищут стерильные нейтрино

© Татьяна Барыбина/ТАСС
В горах Кабардино-Балкарии астрофизики начали эксперимент, призванный проверить существование стерильных нейтрино. Это, по сути, попытка найти новую физику. Объясняем, что нужно знать об исследовании

Нейтрино — это элементарные частицы, которые примечательны по нескольким причинам. Во-первых, они практически не взаимодействуют с остальным веществом: поток нейтрино свободно проходит всю Землю насквозь. Во-вторых, нейтрино бывают трех типов, и при этом они могут превращаться из нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. В-третьих, ряд теоретиков предполагает существование четвертого типа нейтрино, которое называют стерильным. Эксперимент российских ученых, начавшийся в обсерватории под кавказскими горами,  BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) — призван либо доказать наличие частиц четвертого типа, либо закрыть эту возможность. 

Попытка найти новую физику

"Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий", — говорит Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.

Сегодня фундаментальных взаимодействий нам известно ровно четыре: электромагнитное, сильное (оно скрепляет частицы внутри ядер атомов и кварки внутри протонов с нейтронами), слабое (отвечающее за превращения кварков друг в друга) и гравитационное. 100 лет назад их было всего два: физики знали электромагнетизм и гравитацию. Открытие сильного и слабого взаимодействий позволило создать атомные электростанции, ядерное оружие, лучевую терапию рака и многое другое. 

Теоретическое предсказание нейтрино, кстати, было ключевым событием на пути к открытию слабого взаимодействия. В 1930 году Вольфганг Паули придумал эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии в ядерных реакциях с бета-распадом. Конечная энергия частиц, получающихся в ходе распада, оказывалась меньше начальной. Следовательно, остаток приходится на долю какой-то еще — до сих пор неизвестной — частицы, которую экспериментаторы тогда не видели; через несколько лет после идеи Паули другой ученый, Энрико Ферми, разработал теорию, где вдобавок к электромагнитному и сильному (ядерному) взаимодействию появлялось еще одно, позже названное "слабым". Слабое взаимодействие могло превращать нейтрон в протон и порождать электрон и нейтрино. 

Правоту Паули доказала через 26 лет группа американских физиков, проводя опыты с ядерным реактором и специальным детектором. Из того миллиона триллионов нейтрино, которые возникали в реакторе и пролетали через детектор каждую секунду, некоторые в какой-то момент должны были пролететь не между атомными ядрами, а удариться в одно из них. Столкновение должно было породить микроскопическую вспышку. Залив в свою установку более двух тонн специально подобранного раствора (смеси органических жидкостей) и обложив ее вокруг чувствительными приборами для регистрации сверхслабых вспышек света, ученые смогли насчитать за час всего три таких вспышки — они-то и стали первыми обнаружениями нейтрино. 

Принципиально нейтринные обсерватории с тех пор не поменялись: эти едва уловимые частицы ловят в кромешном мраке. А чтобы защитить детекторы от всевозможных помех (других частиц, прилетающих из космоса и радиоактивных веществ в горных породах) спускаются как можно глубже и окружают ловушки для нейтрино дополнительными экранами. 

Нейтрино ищут во льдах, шахтах и горных тоннелях

Американские физики разместили свой детектор IceCube (дословно "кубик льда") прямо в леднике на Южном полюсе. Итальянские исследователи оборудовали нейтринные обсерватории в ответвлениях автомобильных тоннелей под горами. Канадцы и японцы использовали старые шахты. 

В России есть два больших нейтринных проекта: подводный нейтринный телескоп в Байкале — именно в, поскольку он погружен в воду, и Баксанская нейтринная обсерватория в тоннелях под горой Андырчи в Кабардино-Балкарии. В прошлом году научно-популярный сайт "Чердак" снял документальный фильм о том, что представляет из себя обсерватория в кавказских горах.

' Youtube/Чердак'

Все ухищрения, которые предпринимают физики, — уход поглубже в воду или толщу земли, строительство детектора побольше, расположение рядом с интенсивным источником нейтрино вроде большой АЭС — призваны сделать помехи поменьше, а "нейтринный улов" побольше. Начавшаяся в прошлом веке охота за нейтрино привела к открытию нейтрино трех типов (электронное, мюонное и тау), показала, что они иногда превращаются друг в друга (или осциллируют) и даже привела к обнаружению нейтрино, порождаемых вспышками сверхновых звезд. 

Но обнаружить стерильное нейтрино, если оно действительно существует, никакой детектор напрямую не позволит: согласно теории, оно вовсе не взаимодействует ни с чем, кроме гравитационного поля. Иными словами, такие частицы пролетают сквозь любой материал и не сталкиваются даже с атомными ядрами. То есть они в буквальном смысле невидимы.

Казалось бы, доказательство существования принципиально неуловимой частицы звучит слишком похоже на поиски возможно отсутствующей черной кошки в темной комнате. Тем не менее она решаема. Потому что, в отличие от кошек, нейтрино осциллируют.

За стерильными нейтрино охотятся уже очень, очень долго. Последний громкий результат был получен на эксперименте MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же "Фермилаб"), где ловят нейтрино полтора десятка лет. 1 июня прошлого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино свой детектор и смотрели, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких масштабах 1977 подобных событий. Американцы насчитали на 461 больше. Но им пока так никто не не поверил: стоило ученым выложить свою статьи в открытый доступ, еще до отправки ее в журнал, авторитетнейший журнал Science выступил с призывом к экспериментаторам внимательно проверить свои данные — не набрали ли они просто 461 ошибку за 15 лет наблюдений? И c решением вопроса о существовании стерильных нейтрино наука решила подождать. Российские физики намерены искать, наоборот, не лишние, а недостающие события.

Подробно о том, как ученые будут проводить эксперимент, сколько он продлится, когда будут опубликованы результаты первых исследований, читайте в полной версии статьи на научно-популярном сайте "Чердак". Вдобавок советуем почитать о том, как Нобелевскую премию присудили за доказательство того, что у нейтрино есть масса.

Алексей Тимошенко