Capteurs de neutrinos: comment les scientifiques cherchent des réponses dans les particules arrivant de tous les coins de la planète

Observatoires de neutrinos

Rayons cosmiques - courants de particules élémentaires se déplaçant avec de hautes énergies dans

l'espace extra-atmosphérique, enregistré pour la première fois en 1912. Ces particules bombardent constamment la Terre, mais il est assez difficile de déterminer leur source.

Puisque les rayons cosmiques ne sont pas seulement composés departicules neutres (ou neutrinos), mais aussi à partir de celles chargées, ils interagissent avec le champ magnétique de notre planète. Cette interaction modifie leur trajectoire et rend difficile la détermination de la source de rayonnement.

Dans le même temps, les particules neutres passent librementà travers des champs magnétiques, en suivant la trajectoire définie à l'origine. Chaque seconde, environ 100 milliards de neutrinos traversent un pouce carré de votre corps. La plupart d'entre eux sont formés par la fusion de protons sur le Soleil et ne sont pas assez énergétiques pour être identifiés, mais certains atteignent notre planète de l'extérieur de la Voie Lactée.

Les neutrinos sur Terre sont très difficiles à réparer -ces particules fondamentales n'interagissent quasiment pas avec la matière, à l'exception de rares cas de collision de neutrinos avec le noyau d'un atome et de la réaction nucléaire qui en résulte.

Les conséquences de telles réactions nucléaires sont presque invisibles: Lorsque les neutrinos entrent en collision avec le noyau d'un atome, un rayonnement de Cherenkov se forme - une faible lueur bleue visible uniquement dans de l'eau très pure ou dans la glace. Le rayonnement stocke des informations sur la trajectoire du neutrino et vous permet de calculer l'énergie de la particule. Cela permet aux physiciens d'étudier des particules rares malgré leur réticence à interagir.

Icecube

La plupart de la glace contient des bulles d’air,qui forment des vides et déforment les données de trajectoire de neutrinos. Mais à des profondeurs de plus de 2 km au pôle Sud, la glace est une structure homogène sans bulles - la pression y est tellement forte que la glace se contracte et force l'air à sortir jusqu'à devenir «propre».

Mission IceCube

Cette caractéristique de la glace antarctique profondeLes physiciens de la mission IceCube en ont profité - l'observatoire qu'ils ont construit est situé à 2,5 km de profondeur sous la station de recherche Amundsen-Scott et représente un détecteur de neutrinos d'une surface d'environ 1 mètre cube. km

La station est équipée de 56 "cordes" et 5,2 mille. capteurs optiques. Les particules passent à travers les cordes et les capteurs optiques tentent de détecter une faible lueur bleue des muons - particules formées à la suite de collisions de neutrons avec des atomes de glace et émettant une faible lueur bleue.

Cordes sous la station Amundsen-Scott

Bien que l’observatoire soit situé surLes détecteurs du pôle Sud collectent des données sur les neutrinos cosmiques provenant de tous les coins du monde, en particulier de l'hémisphère nord. Dans le même temps, la masse de la Terre est un filtre qui élimine les particules «superflues» ou à faible énergie.

En 2014, les scientifiques de la mission IceCube ont réussiprouver que les neutrinos extragalactiques atteignent la Terre. Au cours des trois premières années de fonctionnement, l'observatoire a enregistré 37 neutrinos d'une énergie supérieure à 30 TeV, soit cinq fois plus que celle d'un proton.

En septembre 2017, des scientifiques pour la première fois de l'histoireneutrinos enregistrés avec une énergie initiale de 230 TeV. Grâce aux données du télescope gamma Fermi, les astrophysiciens ont découvert une source de rayonnement: le blazar TXS 0506 + 056, situé à une distance de 4 milliards d'années lumière de la Terre.

Bien menant à l'observatoire IceCube

Ces découvertes expliquent l'importance d'étudier les neutrinos.- ces particules fondamentales permettront aux scientifiques d'explorer des corps cosmiques situés à une distance de plus de 13 milliards d'années lumière. En dehors de cette limite, l'espace est rempli d'atomes d'hydrogène neutres, qui absorbent la lumière visible, mais les neutrinos surmontent cet espace librement.

Super-Kamiokande et SNO

IceCube n'est pas le seul observatoire de neutrinos. À la fin du siècle dernier, les scientifiques des projets Super-Kamiokande et SNO ont reçu le prix Nobel de la découverte des propriétés des neutrinos. Des expériences sur des détecteurs basés sur le principe de fixation du rayonnement de Cherenkov ont montré que cette particule fondamentale avait une masse non nulle.

Observatoires d'ondes gravitationnelles

Les fluctuations spatio-temporelles détectent trèsdifficile. Le fait est que de telles oscillations résultant de modifications des champs gravitationnels sont très faibles, elles ne sont pas détectées par les sens et ne sont pas perçues par les instruments conventionnels, contrairement au son ou à la radio.

L’existence d’ondes gravitationnelles suggéréesAlbert Einstein dans sa théorie générale de la relativité. Un physicien théoricien a estimé que la cause de telles oscillations est l’accélération de la masse dans l’Univers, par exemple la fusion ou l’absorption de deux grands objets l’un par l’autre. Les vagues vous permettent de déterminer la taille des objets et leur distance. Sur la base de ces données, les scientifiques peuvent recréer des corps cosmiques avant leur collision.

Pour la première fois dans l'histoire, la vague gravitationnelle a réussisolution des scientifiques de l'expérience de collaboration LIGO / VIRGO - les oscillations spatio-temporelles résultent de la fusion de deux trous noirs et de l'émergence d'un trou noir rotatif supermassif.

La fusion de deux trous noirs

LIGO / Vierge

LIGO fonctionne sur le principe de l'interféromètre -L'observatoire est constitué de deux épaules d'une longueur de 4 km. Au début et à la fin de chacun d’eux, des miroirs ultratechnologiques sont montés sur des tables vibrantes isolées qui se déplacent dans le même plan. Les rayons du laser dans chacune des épaules se déplacent du point éloigné et s'unissent au centre.

Observatoire LIGO

L'idée derrière l'expérience esten ce que la distorsion spatio-temporelle provoquée par l'onde gravitationnelle quadripolaire entraînerait un mince allongement de l'un des bras tout en réduisant l'autre. En d'autres termes, si l'un des faisceaux arrive avec un léger retard, un signal est déclenché, ce qui peut indiquer la détection d'une onde gravitationnelle.

Cette élongation est extrêmement faible - en septembre 2017Les physiciens du LIGO ont constaté un raccourcissement de la longueur du laser dans le bras d'un trillième de mètre - environ un millième du diamètre du proton. De plus, la différence de temps d'arrivée des faisceaux laser n'était que de 10 ms.

Virgo fonctionne sur le même principe et permetvérifiez les données LIGO. Maintenant, les deux projets sont gelés indéfiniment. À ce jour, LIGO et son partenaire européen Virgo ont enregistré quatre vagues gravitationnelles au total - en 2015 et 2017.

Les physiciens s'attendent à ce que l'étude des ondes gravitationnelles permette de comprendre les causes de la rotation ultra-rapide d'étoiles à neutrons et d'étudier le processus de fusion des trous noirs.

eLISA

Scientifiques de la NASA et de l'espace européenLes agences (ESA) travaillent également sur un projet d’observatoire d’ondes gravitationnelles dans l’espace, l’antenne eLISA. Le dispositif, comme le LIGO, fonctionnera sur le principe d’un interféromètre, mais le faisceau laser se déplacera entre les miroirs à une distance astronomique. Cela réduira la fréquence des ondes perçues par l'orbiteur de quatre à cinq ordres de grandeur par rapport à LIGO.

Le projet est maintenant au stade de la conception. Le lancement de l'antenne spatiale est prévu pour 2034. La durée du projet est estimée à cinq à dix ans.