Техно

Частица государственной важности: зачем тратят миллионы на поиски нейтрино

Ученые зафиксировали внегалактические частицы, которые станут идеальными средствами связи для военных, астронавтов и шахтеров

Фото: hayadan.org

Ученые, работающие в антарктической лаборатории IceCube Neutrino Observatory, обнаружили прилетевшие к Земле из далекого космоса особые частицы - нейтрино. Они обладают очень малой массой и не имеют электрического заряда, поэтому беспрепятственно проходят через любую материю. Источниками нейтрино являются высокоэнергетические события во Вселенной: взрывы сверхновых, черные дыры и процессы, происходящие в плотных ядрах больших галактик. Огромный поток нейтрино постоянно поступает к Земле, пронизывает нашу планету, но "поймать" их, в виду отсутствия взаимодействия с чем-либо - задача непростая. Тем не менее, на протяжении многих лет ученые пытаются выследить нейтрино, синтезировать и исследовать их в Большом адронном коллайдере, тратят на  изучение призрачных частиц космические средства. Так, только в этом году бюджет крупнейшей американской лаборатории по исследованию нейтрино - Ферми, составил $345 млн. А ведь она существует еще с 1967 года. Почему же вокруг нейтрино возникает такой ажиотаж, кому и зачем нужны эти неуловимые потоки космической энергии?

Фото: planetamarcela.wordpress.com

Интерес обусловлен особым свойством этих элементарных частиц - на них может воздействовать лишь гравитация и слабое ядерное взаимодействие. Именно отсутствие взаимодействия с другими веществами делает нейтрино очень перспективным средством передачи информации в военном секторе, космической отрасли и горно-добывающей промышленности. Чтобы обеспечивать связь в этих сферах сейчас используют длинные волны, которые далеко не всегда эффективны. К примеру, такие радиоволны способны проникать лишь на небольшую глубину до 20 метров, что делает невозможной связь с подводными лодками. Причем все радиопередатчики длинных волн, в какой бы сфере они не использовались, очень громоздки, они потребляют много энергии, уязвимы к перепадам температур и прочим условиям.

Использование для связи нейтрино смогли бы обеспечить идеальные коммуникации со спутниками, которые ушли в тень земли или других планет, сообщение с подлодками и шахтерами, как бы глубоко они ни находились. Кроме того, развитие технологий использующих нейтрино, откроет новые возможности в развитии нейтринной астрономии. Применение нейтринной связи пока невозможно по техническим причинам: чтобы использовать частицы, их нужно "поймать" и тщательно изучить, но большинство существующих детекторов не обладают для этого нужной скоростью и чувствительностью. Тем не менее, развитие технологий обещает в этом направлении большие перспективы.

В частности, недавно закончилось строительство огромного датчика нейтрино, которое продолжалось около десяти лет. На протяжении последнего месяца его уже активно используют специалисты лаборатории Ферми для исследований в рамках проекта NOvA (Neutrinos from the Main Injector Off-Axis Electron Neutrino Appearance) по поиску нейтрино. Недавно датчик NOvA, ширина и высота которого составляют 15 метров, а длина - 60 метров, записал первые данные: процесс колебаний нейтрино, переход этих частиц из одного вида в другой во время их полета от источника к датчику. Большая часть нейтрино, прошедших более 800 километров сквозь земные породы, трансформируются, превращаясь в совершенно другой вид - тау-нейтрино. Именно такой процесс зафиксировали ученые лаборатории Ферми, о чем сообщили на недавней конференции американского Физического общества.

Фото: scisne.net

Датчик NOvA будет собирать данные в течение шести лет. Предполагается, что за это время будет накоплен такой объем научных данных, который позволит использовать потоки нейтрино для создания революционных средств связи.

Еще больше приблизили человечество к разгадке тайн нейтрино специалисты IceCube Neutrino Observatory, огромной лаборатории в районе Южного Полюса, которые зафиксировали самый мощный в истории поток нейтрино. Обсерватория состоит из 86 шахт, пробуренных в толще льда на глубину почти 2,5 километров. В эти шахты опущены высокочувствительные фотодатчики, которые регистрируют свет, возникающий при столкновении высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды, из которых состоит окружающий датчики лед. Несмотря на неуловимую природу нейтрино, эти частицы все же изредка сталкиваются с ядрами атомов материи, которую они пронзают на пути своего движения. Когда такое событие происходит, рождается частица, называемая мюоном. Эта частица перемещается быстрее скорости света в воде или льде, производя конусообразные световые волны, известные под названием излучения Черенкова. Движение этих волн показывает ученым траекторию движения изначальной частицы нейтрино, а некоторые из параметров этого излучения позволяют определить их характеристики.

Фото: wallstreetotc.com

Однако исследователи, работающие в обсерватории, заинтересованы отнюдь не в любом зафиксированном нейтрино. Большая часть этих частиц, обнаруживаемых детекторами, образуется в ходе ядерных реакций в Солнце или же при взаимодействии протонов высоких энергий с частицами в верхних слоях земной атмосферы. Ученые же стремятся обнаружить нейтрино, которые возникают в ходе высокоэнергетических процессов в далеком космосе. Различить эти нейтрино можно по количеству энергии регистрируемых мюонов: они гораздо мощнее. К примеру, всего с мая 2010 года по май 2012-го обсерватория "поймала" более 35 тыс. нейтрино, но  лишь около 20 из этих частиц обладали энергиями, указывающими на их космическое происхождение. В 2013 году исследователи IceCube Neutrino Observatory обнаружили с помощью телескопа IceCube миллиарды таких частиц, пронизывающих детектор лаборатории, но до сих пор не было доказано их происхождение. Как показали результаты исследований, это действительно нейтрино из глубокого космоса.

Фото: popsci.com

Сейчас ученые пытаются определить, откуда пришли эти нейтрино. По словам Альбрехта Карле, соавтора работы, описавшего свое открытие в журнале Physical Review Letters, до сих пор не удавалось поймать такое количество частиц, пришедших из одного источника на небе. Карле говорит, что теперь у ученых есть гораздо больше шансов "приручить" нейтрино, и человечество буквально стоит сейчас на пороге новой эры физики элементарных частиц.

Эксперименты по поиску космических нейтрино будут продолжаться. Так, в 2017 году в Средиземном море построят нейтринный телескоп KM3NeT, состоящий из 320 вертикально закрепленных в толще воды тросов с расположенными на них датчиками черенковского излучения.