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 килограмм. 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 19 и 20 века 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 не часто. 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 не известно, 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 легкое 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!