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

нейтринні обсерваторії

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

Вперше зафіксовані в 1912 році, такі частинки постійно бомбардуютьсяЗемлі, але простежити їх джерело важко.

Оскільки космічні промені складаються не тільки з нейтральних частинок (або нейтрино), але і з заряджених, вони взаємодіютьЦя взаємодія змінює їхню траєкторію і ускладнює їмІдентифікація джерела іонізуючого 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 практично непомітні: при зіткненні нейтрино з ядром атома,Черенковське випромінювання – це слабке блакитне світіння, яке видно лише в дуже чистій воді або льоду.Випромінювання зберігає інформацію про траєкторію руху нейтрино і дає можливість розрахувати енергію частинки.Це дозволяє фізикам вивчати рідкісні частинки, незважаючи на те, що вони неохоче йдуть на цевзаємодія.

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

Фізики з місії IceCube скористалися цією особливістю глибокого антарктичного льоду - побудована ними обсерваторія розташована на глибині 2,5 км під дослідницькою станцією Амундсена-Скоттаі являє собою детектор нейтрино площею близько 1 кубічного метра.Км.

Станція оснащена 56 «струнами» і 5 200 оптичними датчиками.Оптичні датчики намагаються виявити слабке блакитне світіння мюонів, частинок, які утворюються при зіткненнях нейтронів з атомами льоду і випромінюють випромінюванняСлабке блакитне сяйво.

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

В кінці минулого століття вчені з проектів Super-Kamiokande і SNO отримали Нобелівську премію за відкриття властивостей нейтрино.Експерименти на детекторах, заснованих на принципі фіксації черенковського випромінювання, показали, що ця фундаментальна частинка маємаса, відмінна 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 гравітаційна хвиля була зафіксована вченими в результаті колаборації експериментів LIGO/VIRGO - коливання в просторі-часі виникли в результаті злиття двох чорних дірі поява однієї надмасивної чорної діри, що обертається.

Злиття двох чорних дір

ЛІГО/Діва

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 експерименту полягає в тому, що спотворення простору-часу, викликане квадрупольною гравітаційною хвилею, призведе до того, що одне з плечей ледь помітно витягнеться, стискаючи інше.Іншими словами, якщо один з променів приходить з невеликою затримкою, він спрацьовуєСигнал, який може вказувати на 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.