Спіймати нейтрино: як вчені шукають відповіді в частинках, які прилетіли на Землю з усіх кінців Всесвіту

нейтринні обсерваторії

Космічні промені - потоки елементарних частинок, що рухаються з високими енергіями в

космічному просторі, вперше зафіксовані в 1912 році. Такі частинки постійно бомбардують Землю, однак відстежити їх джерело досить важко.

Оскільки космічні промені складаються не тільки знейтральних частинок (або нейтрино), але і з заряджених, вони взаємодіють з магнітним полем нашої планети. Ця взаємодія змінює їх траєкторію і ускладнює визначення джерела випромінювання.

При цьому нейтральні частинки вільно проходятьчерез магнітні поля, дотримуючись наперед заданій траєкторії. Кожну секунду приблизно 100 млрд нейтрино проходять через один квадратний дюйм вашого тіла. Більшість з них формується при злитті протонів на Сонце і недостатньо енергійні, щоб їх можна було ідентифікувати, але деякі досягають нашої планети із-за меж Чумацького шляху.

На Землі нейтрино дуже складно зафіксувати -ці фундаментальні частинки майже не взаємодіють з матерією, за винятком рідкісних випадків зіштовхування нейтрино з ядром атома і наступної за цим ядерної реакції.

Наслідки таких ядерних реакцій майже непомітні: при зіткненні нейтрино з ядром атома виникає черенковское випромінювання - слабке синє світіння, яке видно тільки в дуже чистій воді або в льоду. Випромінювання зберігає інформацію про траєкторію руху нейтрино і дозволяє розрахувати енергію частинки. Це дозволяє фізикам вивчити рідкісні частинки незважаючи на те, що вони неохоче йдуть на взаємодію.

IceCube

Велика частина льоду містить бульбашки повітря,які утворюють порожнечі і спотворюють дані про траєкторію нейтрино. Але на глибинах понад 2 км на Південному полюсі лід являє собою однорідну структуру без бульбашок - тиск в ньому настільки велика, що лід стискається і витісняє повітря, поки не стає «чистим».

Місія IceCube

Цією особливістю глибинного антарктичного льодускористалися фізики з місії IceCube - побудована ними обсерваторія знаходиться на глибині 2,5 км під дослідною станцією Амундсен-Скотт і являє собою детектор нейтрино площею близько 1 куб. км.

Станція обладнана 56 «струнами» і 5,2 тис. оптичних датчиків. Частинки проходять по струнах, а оптичні датчики намагаються зафіксувати слабке синє світіння мюонів - частинок, які формуються в результаті зіткнень нейтронів з атомами льоду і випромінюють слабке синє світіння.

Струни під станцією Амундсен-Скотт

Незважаючи на те, що обсерваторія розташовується наПівденному полюсі, детектори збирають дані про космічних нейтрино, що приходять з усіх сторін світу, зокрема і з північної півкулі. Товща Землі при цьому виступає фільтром, відтинає «зайві», або низькоенергетичними частки.

У 2014 році вченим з місії IceCube вдалосядовести, що позагалактичні нейтрино досягають Землі. За перші три роки роботи обсерваторія зафіксувала 37 нейтрино з енергією більше 30 ТеВ - це в п'ять разів більше, ніж енергія одного протона.

У вересні 2017 року вчені вперше в історіїзафіксували нейтрино з вихідної енергією в 230 ТеВ. Завдяки даним гамма-телескопа "Фермі" астрофізики виявили джерело випромінювання - блазар TXS 0506 + 056, розташований на відстані 4 млрд світлових років від Землі.

Свердловина, ведуча в обсерваторію IceCube

Ці відкриття пояснюють важливість вивчення нейтрино- ці фундаментальні частинки дозволять вченим досліджувати космічні тіла, розташовані на відстані більше 13 млрд світлових років. За межами цього кордону простір заповнений нейтральними атомами водню, які поглинають видиме світло, однак нейтрино долають цей простір вільно.

Super-Kamiokande і SNO

IceCube - не єдина нейтринна обсерваторія. В кінці минулого століття вчені з проектів «Супер-Каміоканде» (Super-Kamiokande) і SNO отримали Нобелівську премію за відкриття властивостей нейтрино. Експерименти на детекторах, заснованих на принципі фіксації черенковского випромінювання, показали, що ця фундаментальна частинка має масу, відмінну від нуля.

Гравітаційно-хвильові обсерваторії

Коливання простору-часу виявити дужескладно. Справа в тому, що такі коливання, що виникають із-за зміни гравітаційних полів, дуже слабкі, вони не відчуваються органами почуттів і не сприймаються звичайними приладами, на відміну від звуку чи радіосигналу.

Існування гравітаційних хвиль припустивАльберт Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності. Фізик-теоретик вважав, що причиною виникнення таких коливань стає прискорення маси у Всесвіті, наприклад, злиття або поглинання двома великими об'єктами один одного. Хвилі дозволяють визначити розміри об'єктів і відстань до них. На основі цих даних учені можуть відтворити космічні тіла до їх зіткнення.

Вперше в історії гравітаційну хвилю вдалосязафіксувати вченим з колаборації експериментів LIGO / VIRGO - коливання простору-часу виникли в результаті злиття двох чорних дір і появи однієї надмасивної обертається чорної діри.

Злиття двох чорних дір

LIGO / Virgo

LIGO працює за принципом інтерферометра -обсерваторія складається з двох плечей протяжністю 4 км. На початку і в кінці кожного з них на ізольованих вібростолах встановлені високотехнологічні дзеркала, які рухаються в одній площині. Промені лазера в кожному з плечей рухаються з далекої точки і об'єднуються в центрі.

обсерваторія LIGO

Ідея, що лежить в основі експерименту, полягаєв тому, що спотворення простору-часу, викликане квадрупольної гравітаційної хвилею, призвело б до тонкого подовженню одного з плечей при одночасному скороченні іншого. Іншими словами, якщо один з променів прибуває з невеликим запізненням, спрацьовує сигнал, який може свідчити про виявлення гравітаційної хвилі.

Це подовження вкрай мало - в вересні 2017 рокуфізики з LIGO помітили скорочення довжини лазера в плечі на трильйонну частина метра - приблизно одну тисячну діаметра протона. Крім того, різниця в часі прибуття лазерних променів склала всього 10 мс.

Virgo працює за тим же принципом і дозволяєперевірити дані LIGO. Зараз обидва проекти заморожені на невизначений термін. На сьогоднішній день LIGO і її європейський партнер Virgo зафіксували сумарно чотири гравітаційних хвилі - в 2015 та 2017 років роках.

Фізики розраховують, що вивчення гравітаційних хвиль дозволить зрозуміти причини надшвидкого обертання нейтронних зірок, вивчити процес злиття чорних дір.

eLISA

Вчені з НАСА і Європейського космічногоагентства (ESA) працюють і над проектом гравітаційно-хвильової обсерваторії в космосі - антеною eLISA. Апарат, як і LIGO, буде працювати за принципом інтерферометра, проте промінь лазера буде рухатися між дзеркалами на астрономічному відстані. Це знизить частоту хвиль, які сприймаються орбітальним апаратом, на чотири-п'ять порядків в порівнянні з LIGO.

Зараз проект знаходиться на стадії проектування. Запуск космічної антени запланований на 2034 рік, розрахована тривалість проекту - п'ять-десять років.