Что такое нейтрино?

Это самая распространенная фундаментальная частица во Вселенной после фотонов, частиц света. Нейтрино рождает наше Солнце в результате ядерных реакций или гибнущие звезды при взрыве сверхновой. Какие-то из этих частиц появились еще на заре существования мира, какие-то возникают прямо сейчас в реакторах атомных электростанций или даже в нашем теле при распаде изотопа калия.

У нейтрино поразительные свойства. Носясь по вакууму космоса практически со скоростью света, они почти не взаимодействуют с материей. То есть в данную секунду, пока вы читаете эти буквы, сквозь вас пролетают миллиарды и миллиарды нейтрино, но вы никак это не ощущаете. Никакого дискомфорта от гостей, которые даже не спрашивали на это вашего разрешения. А между тем физики на протяжении десятилетий безуспешно пытались их зафиксировать, даже уже теоретически зная о существовании таких частиц, но всепроникающая сущность заветной цели долго не позволяла это сделать.

Поймать беглеца

Впервые существование электрически нейтральных частиц предсказал в 1930 году швейцарский физик Вольфганг Паули. Название «нейтрино» («маленький нейтрон») было предложено немного позже выдающимся итальянцем Энрико Ферми, однако больше четверти века ученые все же не были до конца уверены в существовании таких частиц. Чтобы окончательно убедиться в этом, теорию необходимо было доказать экспериментом. Такой эксперимент (и практическое подтверждение нейтрино) стал возможен лишь с появлением атомных электростанций, чьи реакторы испускали эти частицы в избытке. Впервые нейтрино были зафиксированы в 1956 году детектором американцев Фредерика Райнеса и Клайда Кована, и с тех пор специалисты по физике элементарных частиц лишь совершенствовали методы обнаружения и соответствующее оборудование.

Со временем одним из основных вопросов этого раздела фундаментальной науки стало выяснение того, имеют ли нейтрино массу и есть ли у них античастицы. Первую проблему удалось решить благодаря открытию нейтринных осцилляций, то есть взаимопревращений одного типа этих частиц в другие. В 2015 году именно за это Нобелевскую премию по физике получили канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита.

Почему изучение нейтрино так важно?

Макдоналд и Кадзита стали далеко не первыми учеными, чья работа с нейтрино была удостоена самой престижной научной награды мира. Любое важное открытие, связанное с данной частицей, практически гарантированно получает Нобелевку. В этой связи важно понимать, почему исследования нейтрино так важны, почему на них готовы тратить сотни миллионов долларов, инвестируя в строительство сложнейших инженерных объектов, каковыми являются нейтринные обсерватории.

Изучение этой частицы помогает физикам ответить на фундаментальные вопросы природы Вселенной, ее происхождения, взаимосвязи материи и антиматерии. Важнейшей задачей является также исследование сверхновых звезд, перед своим коллапсом активно испускающих нейтрино. В относительно близких окрестностях нашей планеты это чрезвычайно редкое событие, происходящее раз в несколько десятков лет, а детекция нейтрино помогает ученым заранее понять, где вспышка сверхновой может произойти, и подготовиться к этому яркому представлению. При этом нейтринные детекторы бывают совершенно разного типа. Например, упомянутый выше канадский физик Артур Макдоналд работал в нейтринной обсерватории в Садбери, детектор которой представляет собой сферу диаметром 12 метров, расположенную в никелевом руднике на глубине более двух километров. А вот японец Такааки Кадзита как раз являлся специалистом национальной обсерватории Super-К.

Нержавеющий бак

Нынешний детектор Super-K, или Super-Kamiokande, является вторым поколением обсерваторий такого типа. Это совместный научный проект японских и американских физиков, построенный в 1991—96 годах примерно за $100 миллионов. Внутри бывшей цинковой шахты Камиока в 300 км к северу от Токио на глубине в километр был сооружен гигантский резервуар в форме цилиндра из нержавеющей стали. Высота объекта составляет 41,4 метра, диаметр — 39,3 метра. На стенах этого бака закреплены 11 146 т. н. фотоумножителей, напоминающих позолоченные лампочки. Кроме этого, резервуар заполнен 50 тысячами тонн воды, прошедшей через много этапов очистки.

Вкратце механизм детекции таков. Скорость нейтрино в водной среде превышает скорость света. В процессе прохода через заполненный водой резервуар Super-K частица генерирует световую ударную волну наподобие того, как самолет создает звуковую ударную волну, преодолевая звуковой барьер. Сверхчувствительные фотоумножители на стенах обсерватории как раз и способны фиксировать эту световую волну, тем самым обнаруживая сами нейтрино, получая ценнейшую информацию об их свойствах, происхождении и т. д. После этого накопленные данные анализируются двумя командами, японской и американской, работающими в консорциуме. Именно работа на Super-K позволила Такааки Кадзите доказать, что нейтрино одного типа способны превращаться в нейтрино другого типа (всего существует три типа частиц), и тем самым установить, что они обладают массой, пусть и крайне малой.

Сверхчистая вода опасна

Естественно, доступ на такой объект в обычных условиях имеют лишь специалисты, работающие в обсерватории. Однако периодически проводятся экскурсии, во время которых посетителей знакомят с работой детектора. Происходит это в наземном научном центре — в подземный резервуар посторонних, конечно, не пускают. Периодически объект проходит техническое обслуживание, в процессе которого воду из бака удаляют полностью или частично. В таких случаях ученым приходится плавать по Super-K на лодках. Любопытно, что сверхчистая вода, которой обычно наполнен резервуар, довольно опасная штука. «Сверхочищенная вода может растворить все что угодно, — рассказывает Йоши Учида, работавший на объекте. — Сверхочищенная вода здесь — очень и очень неприятная штука. Она обладает свойствами кислоты и щелочи».

В настоящее время японцы строят третье поколение своей нейтринной обсерватории, которое получит название Hyper-K. Ожидается, что резервуар этого наследника будет крупнее предшественника в 20 раз, что позволит обнаруживать взрывы сверхновых, произошедшие 10 миллиардов лет назад. А это в свою очередь даст шанс ученым получить новые ценнейшие знания о ранних стадиях существования нашей Вселенной.

Читайте также:

• Самые недоступные места мира. Рассказываем, где хранится секретный рецепт одного из самых дорогих напитков в истории
• Смотрим на последний реликт холодной войны, куда не пускают посторонних уже 70 лет
• Ватиканские секретные архивы
• Обезьяний остров в США

---

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by