Реликтирайте неутрино: какви са те и как се „хващат“

Проучването на почти неуловимите неутрино частици отдавна привлича вниманието на учените. За да ги открият дълбоко под земята или под лед, се изграждат гигантски структури - неутрино обсерватории. Един от тях, Обсерваторията на Неутрино в Съдбъри (SNO), е проектиран да изследва неутрино, генерирано от ядрени реакции на Слънцето. Комплексът му за откриване е бил разположен на дълбочина около 2 км в бивша мина в Садбъри в канадската провинция Онтарио. Това беше контейнер с топка с акрилен 1000-кубичен метър с диаметър 12 m, напълнен с тежка вода D2O, съдържаща разтвор на натриев хлорид на NaCl. Контейнерът беше ограден от всички страни с 9522 фотоумножители, монтирани върху решетка от 17-метрова решетка от неръждаема стомана. Целият детектор беше потопен в цилиндричен резервоар с височина 30 m, издълбан в скала и напълнен с обикновена вода. Двукилометров слой скала предпазва детектора от космически лъчи, които могат да „затъмнят” слабите сигнали от слънчевите неутрино.

Слънчеви неутрино

Настройката на SNO беше еднакво успешна при откриване както на електронни неутрино, така и на муонни и тау неутрино. Такава универсална чувствителност стана възможна чрез измерване на параметрите на ядрените реакции от два различни типа. При реакция от първия тип електронно неутрино с много ниска, но ненулева вероятност взаимодейства с неутрон в ядрото на деутерия, превръщайки го в протон и електрон, поради което ядрото се разпада на електрон и два протона. Електронът отнема почти цялата кинетична енергия на неутрино и следователно придобива скорост, превишаваща скоростта на светлината в тежката вода. В резултат на това се генерира радиация Черенков, която се улавя от фотоумножители.


В океана от плазма

В статията „В океана на плазмата“ („ПМ“ № 5'2010) ние описахме колко важно е астрономията да определя спектралните характеристики на микровълновото фоново лъчение, което носи информация за състоянието на Вселената на възраст 400 хиляди години. Теоретичната астрофизика и космология обаче твърдят, че много преди космическото пространство да е било прозрачно за тези фотони, то е станало напълно пропускливо за неутрино, които също са престанали да се разпръскват върху по-тежки частици и тръгват да обикалят Вселената. Това епохално събитие се състоя, когато мина само около секунда след Големия взрив. Ако е възможно експериментално да се потвърди съществуването на тези частици реликт, науката ще получи безценна информация за структурата на един много млад Космос.

Вторият тип реакция е, когато неутрино "разгражда" деутерон в протон и неутрон, а неутрино и от трите типа са еднакво способни на тази реакция. Освободеният бавен (както казват физиците) топлинен неутрон се абсорбира или от друг дейтерон, който се превръща в ядро ​​на тритий, или от ядро ​​на хлор-35, което поражда хлор-36. И в двата случая се излъчват гама лъчи, които йонизират съседните атоми. В резултат на йонизацията отново възникват бързо движещи се електрони, които се откриват и от фотоумножители от тяхното излъчване на Черенков. Солта се добавя, защото хлорните ядра абсорбират бавни неутрони много по-добре от ядрата на деутерия.

Падащите неутрино може изобщо да не забележат деутериеви ядра и вместо това да претърпят разсейване по електронни обвивки. Неутрино от всички видове също участват в тази реакция, въпреки че електронните неутрони влизат в нея шест пъти по-често от другите. Въпреки това, той не дава ясно определен характерен спектър и освен това произвежда десет пъти по-малко наблюдавани събития (около 3 на ден вместо 30), следователно практически не се използва в детектора.

Най-точните везни в света и как работят

Обсерваторията Садбъри започва работа през май 1999 г. В началото тя работеше в чиста тежка вода; Натриев хлорид се добавя в продължение на две години след приключване на предварителната серия от измервания. През пролетта на 2002 г. експериментаторите обявиха, че плътността на потока на слънчевия неутрино, изчислена от откриването на реакционните продукти от втория тип, е 5, 09 милиона на квадратен сантиметър и приблизително три пъти по-голяма от нейната стойност (1, 75 милиона на 1 cm2), изчислена въз основа на реакционния добив първият тип. Тази стойност съвпада с добра точност с резултатите, прогнозирани въз основа на стандартния модел на слънчевия термоядрен синтез. Така за първи път беше пряко доказано, че на Слънцето се ражда теоретично изчислен брой електронни неутрино, една трета от които по пътя към Земята се превръщат в муонни неутрино, а друга трета - в тау неутрино (такива преходи се наричат ​​неутрино трептения). По-късно, за да се контролират получените резултати, се използва друг метод за откриване, който се използва до края на експеримента през ноември 2006 г. След това неутрино телескопът Садбъри беше модифициран и сега се използва в нови изследователски проекти.

Проблеми с религията

Ако задачата за откриване на слънчеви неутрино е сложна, но осъществима, тогава откриването на реликтови неутрино е истински проблем. Въпросът не е, че има малко реликтови неутрино - плътността им на практика съвпада с плътността на реликтовите фотони, които перфектно се улавят от микровълновите телескопи. Бедата е, че кинетичната енергия на такива неутрино е напълно незначителна. Към момента на тяхното освобождаване тя е била около милион електрон-волта, но оттогава тя е намаляла с 10 милиарда пъти! Нека си припомним колко е трудно и с помощта на които скъпите гигантски растения физиците записват неутрино, генерирано в ядрени реактори и в недрата на слънцето, и въпреки това техните енергии се измерват в много килоелектрон-волта. Не случайно почти всички експерти смятат създаването на оборудване за откриване на реликтови неутрино за въпрос от много далечно бъдеще. Професорът по астрономия и космология от Университета на Вирджиния Марк Витл и космологът Фермилаб Скот Доделсън в интервю за ПМ изразиха увереността си, че подобни неутрино телескопи няма да се появят през този век.

Независимо от това в Масачузетския технологичен институт стартира изследователска програма, чиято цел е именно да записва реликтови неутрино. Един от основните му участници, професор Джоузеф Формаджо, говори за този проект в ексклузивно интервю с премиера.

Времева линия на Вселената Една секунда изглежда като кратко време. За Вселената обаче вторият, изтекъл след Големия взрив, е огромен период, в който са се случили много събития. Докато Вселената се разширява и охлажда, фундаменталните взаимодействия започват да се разделят. Веднага след момента на Планк (10 ^ -43 s) гравитационното взаимодействие се разделя. Силните, слабите и електромагнитните взаимодействия до момента на 10 ^ -36 s са единични (това е ерата на Голямото обединение на взаимодействията). След това се разделя силно взаимодействие. И накрая, електро-слабото взаимодействие се разделя на слабо и електромагнитно.

Реакция без праг

„Всички съвременни методи за откриване на неутрино спират да работят, ако кинетичната енергия на тези частици е по-малка от определен долен праг“, казва професор Формаджо. - Например, в канадската подземна обсерватория в Садбъри, слънчевите неутрино или директно „нарязват” ядрите на деутерия в техните неутрони и протони, или причиняват вътрешноядрени неутрони да се трансформират в протони, взаимодействайки с кварките, които ги съставят. Енергийният праг на тези реакции е неизмеримо по-висок от енергията на реликтовите неутрино. Има обаче реакция, свободна от такова ограничение - бета разпад на тритий, най-тежкият водороден изотоп. Ядрото на този радиоактивен елемент спонтанно се разпада в ядро ​​хелий-3, електрон и антинейтрино на електрон. По същия начин неутрино може да се сблъска с ядро ​​на тритий и да го превърне в изотон на електрон и лек хелий. И тъй като самите тритиеви ядра са нестабилни, неутрино на всякакви произволно ниски енергии, включително реликтови, разпръснати в космическото пространство, са подходящи за предизвикване на тази реакция. "

Но как да разграничим разлаганията, стимулирани от неутрино въздействия от спонтанни разпадания на същите ядра, които са много по-чести? Оказва се, че за да се реши този проблем, човек може успешно да използва закона за запазване на енергията. Тъй като по време на спонтанно разпадане на тритийното ядро ​​антинейтрино отнема част от първоначалната му енергия, общата кинетична енергия на двете заредени крайни частици, тоест на електрона и на хелия-3 ядро, се оказва малко по-малко, отколкото когато ядрото се разпада след улавяне на неутрино. Ако сравним енергийните спектри на крайните продукти на бета-разпадане на тритиеви ядра, можем да различим сред тях именно тези, които са причинени от улавянето на реликтови неутрино.

Тритият се получава в ядрени реактори, той е изключително скъп, а общите му резерви се оценяват само на десетки килограми. Колко е необходим този изотоп за откриване на реликтови неутрино? Според Джоузеф Формаджо, изчисленията показват, че 100 g тритий ще бъдат достатъчни за годишната регистрация на десет реликтови неутрино, което е напълно достатъчно за космологични цели. Въпреки това, за да се анализират спектрите на разпадане, са необходими инструменти, които имат разделителна способност на реда на неутрино масата на покой. Създаването на такова оборудване е изключително трудна задача, тъй като според най-новите данни масата на покой на неутрино се намира в границите от 0, 05 до 2 еV. „Нашата група едва сега се развива, резултатите от която могат да бъдат в основата на създаването на такива високочувствителни спектрометри“, казва професор Формаджо. - Смятаме, че това е напълно възможно, въпреки че работата може да се проточи за няколко десетилетия. Но аз съм само на 36 години и предстои още много време. Въпреки че, разбира се, истинските неутрино телескопи ще се появят много по-късно. "

История на Вселената

И защо да се притеснявате от сложното и скъпо улавяне на реликтови неутрино? Факт е, че някога тези частици са играли наистина гигантска роля във формирането на материалния състав на нашия свят. Ако не бяха отключили с по-масовите си партньори точно когато го направиха, еволюцията на Вселената щеше да премине съвсем различно. На какво се основава такава прогноза? По времето, когато епохата на Вселената надхвърли знака от 10 микросекунди, в нея не останаха свободни кварки, които се сляха в частици от семейство барион - протони и неутрони (кваркове също се обединиха в много нестабилни мезони, но те бързо се разпаднаха и, така да се каже, изчезнаха извън обращение). Освен протони и неутрони, тогавашната Вселена имаше изобилие от електрони и позитрони (последните бяха малко по-малки и следователно до края на десетата секунда напълно изчезнаха поради унищожаване), както и фотони и неутрино, чийто брой беше почти милиард пъти повече от броя на барионите. Докато материята остава достатъчно гъста и гореща, неутрино взаимодействат интензивно с протони и неутрони и ги принуждават да се превръщат един в друг (подобни процеси са характерни за бета-разпад на атомните ядра). Но Вселената се разширяваше и в резултат на това се охлаждаше толкова много, че неутрините спряха да се разпръскват по барионите и преминаха в свободен полет. Това се случи малко след като възрастта й достигна една секунда. От този момент космическото пространство стана прозрачно за неутрино и остава такова досега.

Вътрешноканадските руди, обсерваторията на SNO Neutrino е разположена в рудника Крейтън близо до Садбъри, Онтарио, Канада. Беше избрано ниво от 1870 фута (2070 м) за настаняване на детектора. Повече от 2 км скала защитават чувствителния детектор от космически лъчи (това е еквивалентно на около 6 км вода). Поради края на експеримента, понастоящем SNO се трансформира в най-дълбоката подземна лаборатория в света SNOLAB.

Паренето на неутрино и бариони оставя след себе си неравномерно количество протони и неутрони. Тъй като неутронът е малко по-тежък от протона, той се нуждаеше от попълване на енергия от неутрино, за да се превърне в протон. Докато плътността и температурата на материята не паднат под определена граница, неутринната среда поддържа плътността на протоните и неутроните на почти същото ниво. Въпреки това, с времето, когато неутрино престана да се разпръсква от бариони, енергийно благоприятният процес на преход на неутрони в протони значително изпревари обратния процес на производство на неутрони от протоните. След като неутрините напуснаха играта, съотношението на протони и неутрони беше 6: 1. Поради това скоро във Вселената започна синтезът на хелий и той придоби химичен състав, който остава и до днес (въпреки че по-късно звездите преработиха около два процента водород и хелий в по-тежки елементи, но лъвският дял в техните ядра все още беше запазен).

Алтернативна Вселена

Нека се опитаме да си представим какво би се случило, ако неутрино престанат да взаимодействат с бариони по-рано или малко по-късно. Да предположим, че това се е случило, когато възрастта на Вселената е била една десета от секундата. В този момент тя имаше почти същия брой протони и неутрони. Това означава, че по-късно всички те биха били обединени в ядрата на основния хелиев изотоп (два протона и два неутрона) и практически няма свободен водород във Вселената. По принцип хелиевите облаци в крайна сметка могат да претърпят гравитационна кондензация и да предизвикат звезди, някои от които ще придобият планетарни системи. На тези планети обаче нямаше да има водород и следователно няма вода, без която не мислим раждането на живота.

Проблясъци в тъмнината на "Очите" на детектора са изключително чувствителни тръби за фотоумножители. Близо 9 600 от тези тръби са монтирани върху геодезическа рамка, заобикаляща акрилен резервоар с тежка вода. Слънчевите неутрино при удар в тежка вода предизвикват серия от реакции, водещи до появата на електрони, движещи се по-бързо от скоростта на светлината във вода. Това води до появата на радиация на Черенков, която се открива от фотоумножители.

Сега помислете за обратния случай. Да предположим, че неутрино са откачени от бариони, когато енергията им вече е намаляла драстично в сравнение с това, което е било, когато всъщност се е случило - да речем, когато възрастта на Вселената достигне 100 секунди. Тогава за всеки 100 милиона протона би имало само един неутрон. Но това означава, че във Вселената няма да има хелий и до появата на първите звезди ще остане чисто водород. Вярно е, че звездите не се нуждаят от хелий за първоначалния палеж, така че те все още биха възникнали и ще раждат по-тежки елементи, но все пак това ще бъде напълно различна вселена.

Съществуването на реликтови неутрино следва от общоприетия космологичен модел на еволюцията на Вселената. Следователно регистрацията на тези частици и определянето на тяхната кинетична енергия директно ще изпробва един от ключовите изводи на този модел (който най-вероятно ще бъде награден с Нобелова награда). Картографирането на небето на неутрино ще даде възможност да се идентифицират корелациите между колебанията в плътността на неутриновия поток и текущото разпределение на галактиките и галактическите клъстери, което само по себе си ще бъде огромно научно постижение. И накрая, откриването на реликтови неутрино ще даде възможност да се изясни масата на тази частица, която засега е известна само много приблизително. И ако надеждите на Джоузеф Формаджо и други физици, които търсят реликтови неутрино, са оправдани, тогава ние сами ще чакаме подобни открития, а не само нашите внуци и правнуци.

Статията „Големият лов за Реликт Неутрино“ е публикувана в списанието „Популярна механика“ (№ 8, август 2010 г.). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Оптичен атомен часовник: ще бъде определена секундата?
2019
Как работи Enigma
2019
10 необичайни психични разстройства
2019