Нейтрино - одна из самых загадочных частиц во Вселенной, и наверное только темная материя и черные дыры является менее изученными феноменами, чем она.

И хотя в настоящее время существуют нейтринные детекторы, ведущие поиск редких частиц, для того чтобы обнаружить нейтрино сверхвысоких энергий, нам, возможно, придется прибегнуть к колоссальным масштабам Тихого океана, сообщается в недавнем исследовании, опубликованном на сервере препринтов.

И, учитывая, что в настоящее время разрабатывается небольшая демонстрационная модель, мы можем вскоре увидеть, насколько эта идея окажется жизнеспособной и изменит наше представление о Вселенной.

Сгенерированное компьютером изображение светящихся сине-зеленых частиц. piranka / iStock

Необходим более крупный нейтринный детектор

Вселенная порождает нейтрино в огромных количествах. Они участвуют в работе слабого ядерного взаимодействия и играют важную роль в ядерном распаде и синтезе. Фактически, где бы ни происходила ядерная активность, везде присутствуют нейтрино. Ядро Солнца, к примеру, представляет собой одну невероятно масштабную термоядерную реакцию, а это значит, что оно постоянно испускает нейтрино. Предыдущие исследования по изучению нейтрино показали, что если, к примеру, вы направите свой большой палец в сторону Солнца, то через ваш ноготь каждую секунду будет проноситься около 60 миллиардов нейтрино. Это очень много.

Даже учитывая, что через ваше тело ежесекундно проходят триллионы и триллионы нейтрино, они практически не взаимодействуют с обычной материей. Несмотря на это огромное количество, за всю человеческую жизнь только одно нейтрино вступит в непосредственное взаимодействие с атомами вашего тела. В течение десятилетий физики считали, что неуловимые нейтрино не имеют массы и движутся сквозь космос со скоростью света. Но со временем появились свидетельства, намекающие на то, что нейтрино все-таки обладают некоторой массой.

Ученым известны три вида нейтрино: мюонное нейтрино, тау-нейтрино и электронное нейтрино. Хотя каждое из них имеет свой собственный спектр связанных с ним ядерных реакций, все три вида могут преобразовываться друг в друга во время движения. Это означает, что даже в случае успеха исследования, в котором удастся поймать одно нейтрино, мы получим лишь крошечную часть информации его существования и очень мало сведений о его, если так можно выразиться, "прошлой жизни". А самые высокоэнергетические нейтрино настолько редки, что существующие детекторы, такие как IceCube в Антарктиде, зафиксировали лишь очень незначительное их количество. Чтобы расширить наши представления об этих загадочных и многочисленных частицах, необходим более мощный детектор.

Нейтринный детектор беспрецедентного масштаба

Вот почему может, необходим Тихоокеанский нейтринный эксперимент (P-ONE). Но не беспокойтесь, в действительности речь не идет о детекторе, который будет охватывать весь океан. Все будет выглядеть следующим образом: сначала ученые находят изолированную область в водах Тихого океана, затем строятся очень длинные нити фотодетекторов (почти миля в длину и даже возможно больше). Следующий шаг - закрепить на нитях фотоприемников поплавки, чтобы они могли вертикально “парить“ в воде.

В результате, по замыслу P-ONE, должно получиться 10 кластеров таких очень длинных нитей, на каждой из которых будет по 20 оптических элементов. В общей сложности порядка 1400 фотодетекторов будут скользить вверх и вниз по волнам Тихого океана, покрывая территорию диаметром в несколько миль. Таким образом, учёные надеются зарегистрировать мельчайшие вспышки нейтрино, в момент их прохождения через воды океана.

На этой иллюстрации нейтрино взаимодействует с антарктическим льдом, в результате чего образуется мюон. Когда мюон движется со сверхвысокой скоростью, он оставляет за собой заметный след голубого света, известный как излучение Черенкова. (Фотография предоставлена: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

 

Разумеется, эта конструкция не идеальна. Например, очень трудно зафиксировать нити в Тихом океане с его мощными подводными течениями.  Кроме того, самый большой водоем на Земле заполнен отнюдь не идеально чистой водой: микропластик, планктон, соль и множество рыбьих экскрементов циркулируют по нему в огромном количестве.

Все это и многие другие процессы, происходящие в Тихом океане, будут постоянно менять световые картины между нитями, поэтому измерить взаимодействие нейтрино будет довольно непросто, и ученым придется постоянно калибровать этот колоссальный прибор. На данный момент такого устройства пока не существует, но исследовательская группа намерена в ближайшие годы создать компактную двухниточную модель. Если это сработает, возможно, мы окажемся на пороге открытия нового вида космических исследований в небывалых до этого масштабах.

На прошлой недели мы опубликовали большую статью, в которой подробно рассказали о единицах измерения расстояний в астрономии. Лунное расстояние, астрономическая единица, световой год, парсек – что они означают, какова их величина и история появления.

Источник: https://arxiv.org/abs/2111.13133