ОКО ПЛАНЕТЫ > Размышления о науке > Неуловимое нейтрино
Неуловимое нейтрино16-11-2009, 12:52. Разместил: VP |
|
Если вы думаете, что вакуум – это настоящая пустота, то вы сильно ошибаетесь. Даже холодное межзвездное пространство, не говоря уж об искусственно созданном вакууме, не так уж и пусто. На один кубометр Вселенной в среднем приходится один протон и один электрон. Еще в этом же кубике в среднем бывает 500 миллионов реликтовых фотонов и столько же реликтовых нейтрино. Наша Вселенная не только светится изнутри, с первой миллисекунды Большого Взрыва, но и «нейтринится» настолько же интенсивно. Заинтригованы? А знаете ли вы, что:
Предсказанная теоретически, частица могла наблюдаться только косвенными методами. Если сейчас такой подход практически не вызывает сомнения у физиков, то более полувека назад доказательства считались эфемерными и сомнительными. В чем соль проблемы? В том, что нейтрино крайне сложно уловить напрямую. Классический эксперимент по нахождению нейтрино – это обратный бета-распад: антинейтрино + протон -> позитрон + нейтрон + фотоны В дальнейшем нейтрон захватывался веществом детектора с выделением фотонов. То есть две вспышки света, следующие с интервалом — это признак антинейтрино. Вы бы поверили? Нейтринные детекторы располагают в толще вещества – в горах, во льдах Антарктиды, в шахтах – именно чтобы исключить любые побочные каналы образования «вспышек», кроме всепроникающего нейтринного канала. Водяной детектор является удобным контейнером для захвата нейтронов. Упрощенно, детектор нейтрино – это гигантский ледяной куб (сцинтиллятор), в который вставлены спицы из фотонных детекторов, регистрирующие малейшие выбросы излучения. Две вспышки – вот и нейтрино. Верится с трудом, но таких экспериментов было поставлено много, набрана статистика. И главное, нейтрино стало только первой ласточкой в новой модели теоретической физики, когда теория шла впереди эксперимента, и предсказывала существование частиц и эффектов задолго до их экспериментального подтверждения. Нейтрино было теоретически изобретено, «подогнано» по свойствам для объяснения расхождений в эксперименте, и лишь затем косвенно обнаружено. Нейтрино нельзя пощупать и измерить общим аршином, оно такое особенное, и в него остается только верить :) Физическая уникальность нейтрино – в отсутствии электрического заряда (не участвует в электромагнитных взаимодействиях) и «цвета» (неподвластно квантовой хромодинамике). Остающиеся «слабое» и гравитационное взаимодействия соответственно в миллион и в 10^38 степени раз менее интенсивны, чем «сильное». В итоге нейтрино путешествует по Вселенной, пронзая материю и время, имея крайне невысокие шансы быть замеченной и «схваченной» другой частицей. Также неподвластные хромодинамике другие лептоны (электрон, мюон и таон) имеют электрический заряд, и на роль вечных путешественников в пространстве не годятся. Кстати, насчет единственности нейтрино споры ведутся не менее бурные. Если оно действительно нейтрально во всех смыслах, что же такое антинейтрино? И в чем их разница? Ведь если у электрона есть привычный нам отрицательный электрический заряд (тоже сама по себе условность, кстати – можно было бы электроном назвать позитрон, и наоборот), то у нейтрино никаких зарядов нет. Можно совершенно точно сказать, что выбор частицы и античастицы в данном случае был полностью произвольный, терминологический. Отличия же нейтрино от антинейтрино пришлось объяснять нобелевскому лауреату Ландау и его теории глубинной CP симметрии (симметрии по заряду-четности). Правда, в 1964 благополучно доказали нарушение CP симметрии в распаде нейтрального каона, что привело в итоге к предсказанию третьего поколения кварков, но это отдельная история. Считается, что проведенный ряд экспериментов не обнаружил никаких реакций, противоречащих фундаментальной разнице нейтрино и антинейтрино, то есть можно считать их различными. Поиски отличий нейтрино от антинейтрино и так называемого лептонного заряда привели к теоретическому предположению, доказанному экспериментально в 1962 году – нейтрино не так уж и нейтрально, как предполагалось изначально. Оно имеет лептонный заряд, и все лептоны делятся на семейства (три в современной Стандартной Модели, а на тот момент было известно первых два), и нейтрино бывает электронное, мюонное и таонное. Физические следствия этого открытия крайне интересны – поскольку семейства частиц позволяют строить теории Великого Объединения и эволюции материи, но для нашего простого экскурса отметим, что нейтрино – это не одна частица, а целых три (плюс три их антипода). Чем еще интересно нейтрино? Например, физика нейтрино не требует вложения триллионов долларов и постройки Большого Адронного Коллайдера. На пятом курсе мы каждую неделю ездили в Протвино на протонный синхротрон У-70, который регулярно используется и поныне для научных экспериментов. Комплекс Меченых Нейтрино, передовой прорыв физической мысли в те годы, и сейчас не потерял актуальности. Но помимо ускорителей и реликтового фона, есть еще мощные источники нейтрино – звезды. Наблюдение нейтрино, испущенных звездами, доказало термоядерную природу звезд — что, вообще говоря, неочевидно – ведь типов звезд много, и наше солнце не самое представительное и интересное среди них. И нейтринная астрономия – реально существующая наука. Во-первых, нейтрино в звездах образуются (помните тизер в начале? нейтрино является обязательным компонентом термоядерной реакции), а во вторых они прошивают другие звезды насквозь и доходят до Земли. Что, теоретически, может дать нам информацию из самых звездных недр. Нейтринные телескопы на самом деле находятся глубоко в толще Земли, и детектируют поток частиц, проходящий через толщу Земли, с ее обратной стороны! Такие телескопы функционируют во многих странах, включая и Россию — BAIKAL на глубине 1км в водах Байкала, и Баксан на Кавказе. Из области фантастики (но не абстрактной, а ограниченной всего лишь чувствительностью приборов) – именно нейтринная астрономия способна доказать существование антимиров — галактик, целиком состоящих из антивещества. Ведь “антизвезды” генерируют такой же неотличимый поток стандартных фотонов, как и обычные звезды. А вот мощнейший поток нейтрино от них будет весь иметь приставку «анти». Также нейтринный телескоп очень хорошо может определить коллапс звезды (в сверхновую, черную дыру или в карлик) в пределах нашей Галактики. И на десерт: с нейтрино связаны еще два парадокса и множество теорий, которые подтвердить или опровергнуть на данный момент невозможно. Поток нейтрино от солнца стабильно меньше теоретически рассчитанного, вот уже много десятилетий. Теория, пытающаяся объяснить недостачу – это осцилляция нейтрино, превращение одного типа в другой (электронного в мюонное), несохранение лептонного заряда, соответственно, летящая к чертовой бабушке симметрия и триумф сторонников теорий Великого Объединения, для которых все равны (но только при высоких энергиях). Но если нейтрино осциллируют, то они имеют ненулевую (и различную) массу. А ненулевая масса нейтрино осложнит жизнь физикам-теоретикам, зато свободно вздохнут астрономы – у них не сходится дебет с кредитом, наблюдаемая масса Вселенной критически меньше необходимой по теории. И «скрытая» материя тогда могла бы быть почетно отдана во власть всепроникающих и неуловимых нейтрино, получивших массу. На этом краткая научно-популярная вводная в физику нейтрино завершена, в случае успеха у публики могу продолжить вспоминать студенческие годы на физфаке :) Вернуться назад |