Ученые поймали нейтрино

Ученым удалось обмануть время и поймать частицу-призрака

Российские ученые-физики совместно со своими американскими коллегами сумели найти подтверждение почти полувековым предсказаниям о том, что так называемая «частица-призрак» нейтрино взаимодействует с обычным веществом. Было проведено исследование, которое способно помочь в создании устройства, просвечивающего ядерные реакторы, а также узнать, какие процессы происходят внутри сверхновых.

В 1974 году среди ученых была высказана теория о возможности взаимодействия каким-то неизвестным способом нейтрино и вещества. Данные элементарные частицы в миллионы раз легче электрона могут свободно проходить сквозь планеты. Периодически происходит столкновение с ядрами атомов, и нейтрино вступают во взаимодействие с некоторыми нейтронами и протонами. Но четыре десятилетия назад ученые сделали предположение, что возможно взаимодействие между нейтрино и ядром как единым целым. Данный механизм носит название когерентного рассеивания нейтрино на ядрах. Его предложили в качестве одной из составляющих Стандартной модели электрослабых взаимодействий, однако до настоящего времени не подтвердили экспериментально.

Электрослабое взаимодействие является общим описанием нескольких фундаментальных взаимодействий – электромагнитного и слабого. Принято считать, что после достижения Вселенной температуры около 1015 кельвинов (а случилось это практически сразу же после Большого Взрыва), эти взаимодействия представляли собой единое целое. Слабые силы, в отличие от электромагнитных, проявляются в значительно меньших масштабах относительно размера ядра атома. Они предусматривают бета-распад ядра, при котором возможно выделение не только нейтрино, но и антинейтрино. В то же время, согласно теории электрослабого взаимодействия, возникает не только нейтрино, но и его взаимодействие с веществом, материей.
Теория гласит, что если между нейтрино и ядром за счет когерентного рассеивания происходит процесс взаимодействия, в таком случае происходит выделение энергии, передающейся ядру через Z-бозон, который является переносчиком слабого взаимодействия. Зафиксировать данный процесс очень сложно, потому как выделение энергии очень незначительное. Для повышения вероятности когерентного рассеивания применяются в качестве мишеней тяжелые элементы, в частности, цезий, йод и ксенон. В то же время, чем тяжелее ядро, тем сложнее эту отдачу обнаружить, что, в свою очередь, также осложняет ситуацию.

После проведения необходимых расчетов исследователи установили, что идеальным кандидатом для мишени является йодид цезия с примесями натрия. Именно кристаллы данного вещества стали основой для детектора небольших размеров (вес его составил всего 14 килограммов, а размер – 10х30 сантиметров). Установлен был этот детектор на источнике нейтронов SNS , который находится в американском штате Теннеси, при Национальной лаборатории Ок-Ридж. Детектор поместили в экранированный бетоном и железом туннель примерно в двух десятках метров от источника, который воспроизводит нейтронные пучки, но в то же время возникает и побочный эффект – нейтрино.

Искусственный источник SNS, в отличие от природных источников нейтрино, в частности, земной атмосферы или Солнца, способен произвести достаточно большой пучок нейтрино для улавливания его детектором, однако в то же время достаточно малый для возникновения когерентного рассеивания. Как отмечают исследователи, детектор и источник подходили друг другу практически идеально. Молекулы йодида цезия при взаимодействии с частицами преобразуются в сцинтилляторы (иными словами, они переизлучают энергию в виде света). И зарегистрировать удалось именно этот свет. Согласно Стандартной модели, во взаимодействие с кристаллом вступили мюонное нейтрино, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино.

Данное открытие имеет важное значение. И дело вовсе не в том, что ученые в очередной раз подтвердили физическую картину мира, которую описывает Стандартная модель. Благодаря когерентному рассеиванию ученые надеются разработать определенные средства и методики мониторинга ядерных реакторов, которые помогли бы видеть сквозь стены, что происходит внутри. Кроме того, когерентное рассеивание происходит и внутри нейтронных и обычных звезд, а также в процессе вспышек сверхновых. Таким образом, это даст возможность узнать больше об их строении и жизни. Ученым известно, что присутствующие в недрах сверхновых нейтрино при взрыве ударяются о внешнюю оболочку, образуя ударную волну, разрывающую звезду на куски. За счет когерентного рассеивания можно объяснить подобное взаимодействие между нейтрино и веществом звезды, которая взрывается.

Помимо этого, в процессе поиска вимпов – теоретических частиц темного вещества – исследователи полагаются на фиксирование излучения, которое возникает от их столкновения и атомными ядрами. Его необходимо отличать от того фона, который создает когерентное рассеивание нейтрино. За счет этого можно улучшить данные, которые можно получить о темной материи при помощи криогенного и прочих детекторов.