Физики зарегистрировали превращение нейтрино

Нейтринный детектор Super-K, находящийся в Японии зарегистрировал превращение мюонных нейтрино в электронные. Возможность такого явления была предсказана еще в прошлом столетии, однако только сейчас физикам удалось доказать это на практике. Этот эксперимент подвинул человечество на еще один шаг к разгадке тайны возникновения нашей Вселенной.

Фото: Фото: AP

Недавно японским ученым, участвующим в нейтринном эксперименте Т2К, удалось экспериментально подтвердить одно из предположений, сделанных еще в 60-х годах прошлого столетия. Проанализировав результаты работы нейтринного детектора, они пришли к выводу, что им удалось зарегистрировать превращение мюонных нейтрино в электронные. Следует заметить, что до сих пор ученым не удавалось наблюдать данный тип превращений, хотя о возможности подобного события говорили не раз.

Напомню, что нейтрино — это нейтральные, то есть не обладающие электрическим зарядом частицы, относящиеся к категории лептонов, то есть частиц, чей спин (момент импульса элементарных частиц) равен &frac12. Они, как и положено лептонам, не участвуют в сильном взаимодействии. Кроме того, в отличие от других лептонов, например, электрона, нейтрино не являются переносчиками электромагнитного взаимодействия — ведь они не заряжены. Считается, что нейтрино участвуют лишь слабом и гравитационном взаимодействиях, поскольку обладают массой, пусть маленькой, но все-таки настоящей.

Установлено, что нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6×10¹⁰ нейтрино, испущенных Солнцем, однако никакого воздействия на материальные объекты, например, на тело человека, они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями. Собственно говоря, именно это свойство и позволяет хоть как-то изучать данные неуловимые элементарные частицы.

На сегодняшний день ученым известно, что нейтрино делятся на три типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино (тип нейтрино определяется такой характеристикой, как квантовое число — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта характеризующее состояние частицы). В 60-х годах прошлого века было высказано предположение, что нейтрино разных сортов могут превращаться друг в друга. Началось все с того, что, будущий лауреат Нобелевской премии Рэймонд Дэвис и его коллеги провели эксперимент по обнаружению электронных нейтрино, испускаемых Солнцем. Однако зафиксированное в опыте количество частиц заметно уступало расчётному. Поэтому учёным пришлось искать новые модели, объясняющие эту странность.

Наиболее известную из них предложили советские физики-теоретики Бруно Понтекорво и Владимир Грибов. Недостаток частиц в эксперименте они объяснили тем, что нейтрино разных сортов могут "превращаться" друг в друга по мере своего движения от Солнца к Земле. Это явление, назвали нейтринными осцилляциями, однако доказать, что подобные события являются не плодом воображения теоретиков, а происходят на самом деле, ученым долго не удавалось.

Ради изучения этой, а также других проблем, связанных с таинственным "нейтрончиком" (а именно это и означает слово "нейтрино", дословно: маленький нейтрон) и был затеян международный эксперимент Т2К. В японской лаборатории на глубине в 1000 метров в цинковой шахте Камиока, находящейся примерно в 295 км к северу от Токио, была создана специальная установка. Ее главным элементом является детектор SuperKamiokande (сокращенно: Super-K). Он представляет собойрезервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тоннами специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11146 фотоумножителей. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс, который затем обрабатывает специальная электронная система.

Фото: AP

Эксперимент проходит по следующей схеме — сначала для генерации пучка мюонных нейтрино мощный поток протонов направляется на графитовую мишень. Это дает необходимый поток пи-мезонов (нестабильные элементарные частицы). Далее их фокусируют, в результате чего они превращаются в мюоны, которые, в конце концов, распадаясь, формируют требуемый поток мюонных нейтрино. После этот поток посылается с ускорителя J-PARC (находящемся в Токио) по подземному туннелю на вышеупомянутый детектор Super-K, который и регистрирует прохождения рядом с ним нейтрино и определяет их тип.

Недавно, анализируя данные, собранные детектором в период с января 2010 года по 11 марта 2011 года, ученые обнаружили, что 88 зарегистрированных событий соответствующих обнаружению нейтрино. Любопытно, что шесть из них с высокой вероятностью соответствовали обнаружению электронных нейтрино, которые, как мы знаем, не посылались ускорителем на детектор. Следовательно, можно с уверенностью сказать, что произошло превращение мюонных нейтрино в электронные по дороге от J-PARC до Super-K.

Статистические оценки предсказывают, что около 1,5 событий могут представлять собой случайный шум, достигший детектора, но даже с учетом этого, вероятность обнаружение детектором именно электронных нейтрино составляет 99,3 %. А это весьма высокий показатель — редко какой эксперимент из области физики элементарных частиц может похвастаться таким результатом. Так что, судя по всему, нейтринные осцилляции действительно существуют.

Для чего же ученые занимаются изучением свойств этих загадочных частиц, которые с нами, как было сказано выше, вообще никак не взаимодействуют? На самом деле знание о природе нейтрино поможет физикам разгадать одну загадку, связанную с происхождение нашей Вселенной. Считается, что в начальной стадии расширения Вселенной обычное вещество (это все вещество Вселенной, кроме нейтрино) было распределено в пространстве почти равномерно и находилось в виде горячей плазмы. Однако потом равномерность распределения была нарушена, возникли скопления вещества, и плазма превратилась в так называемый нейтральный газ, из которого возникли галактики, звезды и планеты. Однако почему это произошло, никто до сих пор точно не знает.

Есть предположение, что в этом виноваты те самые нейтрино. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной они имели очень большую энергию и летели со скоростью, очень близкой к скорости света. Затем скорость их движения резко падала, взаимное тяготение этих частиц приводило к появлению первых скоплений, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Они, в свою очередь, продолжали сгущаться, в результате чего однородность пространства была нарушена, температура внутри этих облаков падала, и плазма начинала превращаться в тот самый нейтральный газ.

Читайте также: Наш мир — всего лишь голограмма?

Итак, изучение свойств нейтрино поможет людям понять, как возникла наша Вселенная. Ну, а тот, кто знает механизм возникновения какой-нибудь структуры, способен и сам создать что-то подобное. Например, новую Вселенную…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"