Что такое нейтрино в астрономии
Почему так тяжело изучать нейтрино и что эта частица расскажет об истории Вселенной
Нейтрино является одной из самых распространенных частиц во Вселенной, при этом ее невероятно сложно обнаружить. Изучать нейтрино важно, потому что они содержат в себе информацию о явлениях и процессах, которые их порождают: это значит, что с помощью частицы можно узнать о происхождении Вселенной. Рассказываем обо всех тайнах, которые хранят в себе нейтрино.
Читайте «Хайтек» в
Что такое нейтрино?
Нейтрино — это сверхлегкие частицы, образующиеся в процессе ядерных реакций. Большинство из тех, что были обнаружены на Земле, исходят от Солнца, которое превращает водород в гелий. Но в 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые «нейтрино CNO». И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
До недавнего времени было вообще непонятно, есть ли у нее масса. В последние годы стало ясно, что есть, но очень маленькая. Ее точное значение неизвестно по сию пору, а имеющиеся оценки в общем сводятся к тому, что нейтрино примерно на 10 порядков легче протона. Примерно так же соотносится вес кузнечика (около 1 грамма) с водоизмещением современного атомного авианосца George Bush (около 100 тыс. тонн).
Частица не имеет или почти не имеет электрического заряда — эксперименты пока не дали однозначного ответа, а из всех фундаментальных физических взаимодействий достоверно участвует только в слабом и гравитационном.
Нейтрино подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они обычно перечисляются именно в таком порядке, и это не случайно: так отображается последовательность их открытия. Кроме этого, есть еще антинейтрино — это античастицы трех разных типов, соответствующих «обычным». Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это нейтринными осцилляциями, за их открытие присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года.
Нейтрино — результат ядерных (и термоядерных, мы далее не будем выделять их отдельно) реакций. Их, неуловимых, очень много. По подсчетам физиков-теоретиков, на каждый нуклон (то есть протон или нейтрон) во Вселенной приходится около 10 9 нейтрино. Тем не менее, мы совершенно его не замечаем: частицы проходят сквозь нас.
Как ученые ищут нейтрино?
Современные детекторы регистрируют не сами нейтрино — это пока невозможно. Объектом регистрации оказываются результаты взаимодействия частицы с веществом, заполняющим детектор. Его выбирают так, чтобы с ним реагировали нейтрино определенных, интересующих разработчиков, энергий. Поскольку энергия нейтрино зависит от механизма их образования, можно считать, что детектор рассчитан на частицы определенного происхождения.
Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник — Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 млрд солнечных нейтрино в секунду.
На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию).
После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).
Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит.
Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории — в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается — горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора — шахта в толще чистого известняка.
Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории — прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального — нет.
Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе.
Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу — регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.
Зачем мы вообще изучаем нейтрино?
Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы.
Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса
Эксперты сравнили поиск этих частиц с работой археологов, восстанавливающих доисторические артефакты с целью понять, какой жизнь была тогда. Лучшее понимание нейтрино может раскрыть тайны других элементов астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.
Эксперимент COHERENT Окриджской национальной лаборатории состоял из пяти детекторов частиц, предназначенных для непосредственного наблюдения высокоспецифического взаимодействия между нейтрино и ядрами атомов. В прошлом году эти ученые опубликовали исследование в Science о взаимодействии между двумя нейтрино, которое было выдвинуто в качестве гипотезы десятилетиями ранее, но никогда прежде не наблюдались.
Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий.
Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.
Изучение испускаемых Землей нейтрино может помочь нам хотя бы понять, сколько в земном веществе радиоактивных элементов и где они в основном находятся. По части последнего существуют разные версии, начиная от того, что уран с торием — атрибут нижней части земной коры, и кончая тем, что источники радиации в ходе формирования планеты «утонули» к ее центру, и там существует нечто вроде ядерного реактора, причем периодически действующего.
Накопившиеся продукты распада, когда их становится достаточно много, останавливают цепную реакцию. Потом в раскаленной среде они потихоньку диффундируют наверх (они легче), освобождая место для новых порций делящегося материала, после чего процесс запускается снова. Если это так, то подобная цикличность могла бы помочь в объяснении перемен магнитной полярности Земли и, надо думать, во многом другом.
Интересен также вопрос о доле ядерных реакций в общем тепловыделении Земли. Напомним, что земные недра суммарно выдают порядка 47 ТВт тепла в год, но ученые до сих пор смутно представляют себе, какая часть этой энергии приходится на радиогенное тепло, а какая — на остаточное тепло, выделившееся когда-то при гравитационной дифференциации земного вещества.
Чем это интересно для обычного человека?
Технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что любое вложение в эту сферу окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера.
Эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.
Как мы продвинулись в изучении нейтрино?
Накануне стало известно, что Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета разработали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.
В результате выяснилось, что в областях, где много нейтрино, обычно присутствуют массивные скопления галактик. Еще один важный вывод: нейтрино подавляет кластеризацию темной материи и галактик, а также изменяет температуру в зависимости от собственной массы.
Также стало известно, что Borexino, огромный подземный детектор частиц в Италии, уловил невиданный ранее тип нейтрино, исходящий от Солнца. Эти нейтрино подтверждают гипотезу 90-летней давности и дополняют наше представление о циклах синтеза Солнца и других звезд. В 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые нейтрино CNO. И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
Реакция CNO выделяет лишь крошечную часть от общего количества солнечной энергии, но у более массивных звезд она считается основной движущей силой термоядерного синтеза. Экспериментальное обнаружение нейтрино CNO означает, что ученые наконец получили связь между последними частями головоломки и могут расшифровать весь цикл солнечного термоядерного синтеза.
Подтверждение того, что CNO осуществляется в процессе термоядерной активности нашей звезды, где подобные реакции занимают не более 1%, укрепляет нашу уверенность в том, что мы точно понимаем, как работают звезды.
Франк Калаприс, главный исследователь Borexinо
Детекторы нейтрино предназначены для отслеживания тех редких случаев, когда эти «призрачные частицы» случайно сталкиваются с другими атомами. Обычно в таких устройствах используются огромные объемы детекторной жидкости или газа, которые испускают вспышку света при «ударе» нейтрино. Подобные эксперименты обычно проводятся внутри камеры глубоко под землей, вдали от помех и воздействия других космических лучей.
Команда потратила годы, регулируя температуру инструмента, чтобы замедлить движение жидкости внутри детектора, и сосредоточилась на сигналах, исходящих из центральной области контейнера. В феврале 2020 года команда наконец-то уловила искомый сигнал и потратила почти год на его расшифровку и на то, чтобы удостовериться в отсутствии ошибок.
Эти данные могут не только улучшить наше понимание цикла слияния звезд, но и помочь ученым выяснить, насколько «металлическими» являются Солнце и другие звезды.
Нейтрино
Сверхновая SN 1987A, от которой впервые были зарегистрированны внегалактические нейтрино
Нейтрино – квант нейтрального излучения, нейтральная фундаментальная частица с небольшой массой, спин которой ½ ħ. Нейтрино принимает участие лишь в гравитационном и слабом взаимодействии, относится к классу лептонов (см. Стандартная модель).
История открытия нейтрино
История нейтрино берет начало в исследованиях бета-распада – такого вида радиоактивного распада, при котором ядро атома излучает бета-частицу, то есть электрон или позитрон. Как было уже известно в 1920-х годах, согласно модели атома, описанной Нильсом Бором, вокруг ядра атома располагается некая электронная оболочка. Электроны в этой оболочке находятся на разных так называемых энергетических уровнях, и для перехода между ними требуется определенная энергия. Таким образом, при бета-распаде электроны, вылетающие с атома, должны были нести в себе энергию, кратную той, которая потребовалась для перехода между различными энергетическими уровнями, т.е. нести дискретный спектр энергии. Данное утверждение строится на основе закона сохранения энергии. Однако в эксперименте английского физика Джеймса Чедвика было показано, что спектр энергий вылетающих электронов непрерывный, словно ядро излучает электроны с самой разной энергией, и даже не кратной энергетическим уровням.
Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год
Подобные противоречия к 1930-му году донельзя заинтересовали научное сообщество. Ведь пока решение этой задачи не найдется, истинность закона сохранения энергии останется под вопросом. Тот же Нильс Бор даже предположил, что энергия на самом деле не сохраняется и фундаментальный закон природы возможно неверен. Но в декабре 1930-го года свою гипотезу выдвинул венский физик-теоретик — Вольфганг Паули. Он положил, что электрон уносит число энергии, кратное энергии перехода, а остаток выпадает на некую другую частицу, которую назвал нейтроном. В 1932-м году Д. Чедвик открывает иную нейтральную частицу, входящую в состав ядра атома, и называет ее нейтроном. В следующем году на Солвеевском конгрессе, рассматривающем проблемы физики и химии, Паули объяснил механизм бета-распада с описанной им частицей, нейтроном. Во избежание путаницы в определении двух нейтронов, название частицы, описанной Паули, взяли из работ Энрико Ферми (1933-1934 г.), где итальянский физик называл частицу – нейтрино (с итальянского «нейтрончик»).
Общие сведения
Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере
Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:
Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 10 18 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.
Поляризация и лептонное число
Важным свойством частицы в квантовой механике является поляризация спина (о том, что такое спин – читайте здесь). Спин имеет направление, и если оно перпендикулярно направлению импульса частицы, то ее называют поперечно поляризованной, если же параллельно – то поляризация продольна. В свою очередь, если при продольной поляризации спин направлен в сторону импульса, то поляризация зовется «правой», наоборот – «левой». В результате образовался закон сохранения четности, согласно которому частицы с правой и левой поляризацией – равнозначны, и должны встречаться в природе в равном количестве.
За сложными математическими конструкциями скрываются законы природы, но как вскоре оказалось, они нарушаются нейтрино. Удивительно, но за все время исследований ученые обнаруживали только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино, что противоречит закону сохранения четности. Благодаря трудам физиков-теоретиков, казалось, истинный закон может быть спасен, но лишь в том случае, если считать нейтрино безмассовой частицей.
Другим важным физическим утверждением является закон сохранения лептонного числа, который был экспериментально подтвержден и основывается на Стандартной модели. Он гласит о том, что в замкнутой системе разница лептонов и их античастиц сохраняется. Как следствие – появились т.н. флейворные числа для трех типов нейтрино и соответствующих им лептонов. Например, в замкнутой системе должна сохраняться разница между суммой мюонов с мюонными нейтрино, и антимюонов с мюонными антинейтрино.
Но в 2015-м году была официально подтверждена теория нейтринных осцилляций, которые возможны лишь в том случае, когда нарушается закон сохранения четности и сохранения лептонного заряда.
Нейтринные осцилляции
Осцилляции электронного нейтрино. Черный цвет обозначает электронное нейтрино, синий — мюонное, а красный тау-нейтрино.
Одной из основных физических задач, связанных с нейтрино является так называемая «проблема солнечных нейтрино». Как известно, в центре нашей звезды происходят ядерные реакции, вследствие которых должны образовываться электронные нейтрино. Имея теоретическую модель Солнца, ученые высчитали число электронных нейтрино, которые должны быть излучены звездой и зарегистрированы земными детекторами. Однако, согласно наблюдениям, которые ведутся с конца 60-х годов, количество искомых частиц в три раза меньше ожидаемого, что есть значительной погрешностью и означает неверное понимание солнечного механизма.
Не желая изменять модель Солнца, ученые выдвинули гипотезу о том, что нейтрино превращается в некую другую частицу, которая не регистрируется детекторами, а именно, недавно открытые мюонные и тау-нейтрино. Подобные осцилляции возможны с одним важным условием – наличие массы у нейтрино.
Детектор размещён в японской лаборатории на глубине в 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио
Данный феномен наблюдался двумя обсерваториями с гигантскими детекторами: японской Super-Kamiokande (г. Камиока) и канадской SNO (Садбери). Первая обсерватория позволяет фиксировать мюонные и электронные нейтрино. Учитывая полученные результаты и некоторые особенности атмосферы, японцы обнаружили, что количество мюонных нейтрино неким образом зависит от расстояния, которое прошли нейтральные частицы. То есть по пути к детекторам какая-то их часть пропадает.
Позже, в 1993-м году, канадская обсерватория в Садбери, способная различать уже все три типа нейтрино, определила, что общее число этих частиц, излучаемых Солнцем, равняется предсказанному количеству. Подобное утверждение отлично согласовывается с теорией нейтринных осцилляций и объясняет недостаточное количество электронных нейтрино.
Материалы по теме
Бозон Хиггса
За обнаружение нейтринных осцилляций в 2015-м году Нобелевской премией по физике были награждены Такааки Кадзита, работающий на детекторе Super- Kamiokande, и Артур Макдональд, сотрудник обсерватории Садбери. Но данное открытие определенно указывает на наличие двух важных проблем: нарушение закона сохранения лептонного заряда из-за превращения одного типа нейтрино в другого, и закона сохранения четности – из-за наличия массы, хоть и не большой (в 180 тыс. раз меньше массы электрона).
Применение
Основные области применения знаний о нейтрино – астрономия и астрофизика. Дело в том, что так же, как и Солнце, большинство других звезд излучают свою энергию в основном в виде потока нейтрино. Вместе с этим, в силу слабого поглощения этих частиц различными космическими телами, дальность их полета может значительно превышать расстояния, проходимые фотоном. Таким образом, человечество сможет изучать более удаленные звезды и прочие космические тела.
Кроме небесных объектов ученые смогут изучать и недра Земли, которые тоже излучают нейтрино в результате радиоактивности ядра, и позволят подробнее определить состав нашей планеты.
Примечательно, что потоки нейтрино могут использоваться для связи с подводными лодками и прочими объектами, сокрытыми за веществом. Слабовзаимодействующие частицы, испускаемые «источником», пролетали бы сквозь воду и достигали бы детекторов, расположенных на субмарине, после чего переводились бы в другой вид информации. Развитием этой технологии занимаются по большей части военные спецслужбы, и согласно подсчетам, передача информации таким образом будет значительно быстрее (в сотни раз).
Интересные факты о нейтрино
27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Не только детекторы. Экскурс в прикладную физику нейтрино
Фундаментальная наука иногда кажется настолько оторванной от повседневной реальности, что хочется вдохновляться, как минимум, масштабностью ее проблем или зрелищностью экспериментов и установок. Типичным примером такой научной дисциплины, которая ассоциируется с абсолютной фундаментальностью и при этом грандиозностью, является изучение нейтрино.
Немного истории
Нейтрино — это совокупное название группы легчайших элементарных частиц, относящихся к фермионам. Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году, а экспериментально подтверждено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. При этом Паули лишь неформально, в виде чистой гипотезы, предположил, что «имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона». Таким образом он пытался объяснить наблюдаемую природу бета-распада. Он назвал такую неоткрытую частицу «нейтроном». Только через два года, в 1932, Джеймс Чедвик открыл в атоме крупную элементарную частицу, сравнимую по массе с протоном, и назвал ее «нейтрон», а неуловимый фермион Паули впоследствии удостоился названия «нейтрино» (нейтрончик) с легкой руки Энрико Ферми.
С тех самых пор нейтрино окружены ореолом загадочности в силу своих поразительных свойств. Они всерьез и надолго обосновались в научной фантастике – так, Кельвин, главный герой «Соляриса», предполагает, что именно из нейтрино разумный океан формировал своих фантомов, в том числе, фантом Хари, возлюбленной Кельвина. Вкратце напомню основные уникальные и парадоксальные аспекты нейтрино:
Долгое время продолжалась дискуссия о том, обладают ли нейтрино массой. При наличии массы у этих частиц они не вписываются в Стандартную модель физики частиц. Соответственно, это означает, что физика не ограничивается Стандартной Моделью, а за пределами Стандартной Модели существует еще и Новая Физика, изучение которой начнется с нейтрино. Сегодня известно, что нейтрино имеют ненулевую массу, примерно в шесть миллионов раз меньше, чем у электрона.
Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом – именно поэтому Паули и допускал, что они никогда не будут открыты. Поэтому детекторы нейтрино, которые иногда называют «нейтринными обсерваториями» устанавливаются глубоко в толще воды, льда, горных пород. Такая толща служит уловителем практически для всех прочих элементарных частиц, поэтому высока вероятность зафиксировать в детекторе именно нейтрино, как солнечные, так и астрофизические, возникающие, например, при взрывах сверхновых.
Как и у всех частиц, у нейтрино существует своя античастица — антинейтрино. Отличия свойств нейтрино и антинейтрино помогают пролить свет на отличия вещества и антивещества в целом и, возможно, позволят выяснить, почему во Вселенной существует колоссальная асимметрия между количеством вещества и антивещества, куда подевалось почти все антивещество – ведь, теоретически, после Большого Взрыва они должны были образоваться в равных количествах.
С этими и другими темами мне довелось познакомиться подробно и достаточно давно. В 2014-2015 году я работал переводчиком в издательстве «Альпина Нон-Фикшн», и в этот период, в первые несколько месяцев 2015 года, перевел книгу Рэя Джаявардханы «Охотники за нейтрино». На тот момент мне казалось, что эта тема слишком академична и сложна для широкой читательской аудитории, но книга оказалась настолько интересной, а я так надолго увлекся этой темой, «когда она еще не была мейнстримом», что возвращаюсь к ней до сих пор. Разброс рассматриваемых тем, связанных с нейтрино, впрочем, меняется слабо. Пишут о новых детекторах, все более точных измерениях массы и скорости нейтрино, о космологической ценности этих исследований. Не буду здесь углубляться в эти аспекты, поскольку они хорошо и подробно рассмотрены на русском языке (и при этом богато иллюстрированы). Но позволю себе привести список статей с Хабра, которые вышли уже после книги Джаявардханы и кажутся мне наиболее интересными:
BAIKAL-GVD. Охотники за нейтрино (2.02.2020). Пост автора @DNLP о кластере глубоководных детекторов нейтрино, устанавливаемых в озере Байкал. Отличный материал с большим количеством видео и техническими деталями. На самом деле, идея использовать Байкал в качестве естественного водного резервуара гениальна, а географическое расположение детектора позволяет в большом количестве отлавливать нейтрино, прилетающие к нам со стороны Южного полюса. Аналогичный, совсем свежий материал недавно вышел на сайте «Медузы».
«Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино» (24.09.2019). Автор – @Bars21. Подробный разбор парадокса #3 из вышеприведенного списка.
«Поймай меня, если сможешь: радиоволны, каскад частиц и лед для поимки нейтрино» (11.03.2020) Пост автора @Dmytro_Kikot, дающий представление о подледном лове нейтрино.
Итак, завершая такое пространное вступление, я перейду к сути этой статьи. При всей важности нейтрино в качестве диагностического инструмента в теоретической физике, ядерной физике, космологии и астрономии, для этих неуловимых частиц уверенно просматриваются возможности практического применения. Именно о них пойдет речь в оставшейся, наиболее интересной части статьи.
Нейтрино и телекоммуникация
Идея об использовании нейтрино в качестве носителя информации привлекательна в силу того, что нейтрино беспрепятственно проникают через любой материал. Таким образом, они могли бы служить надежным носителем информации в таких средах, где распространение электромагнитных волн затруднено или невозможно.
В 2010 году было высказано предположение, что нейтрино могут применяться для однонаправленной связи с субмаринами, постоянно находящимися в подводном положении. Пучок нейтрино можно было бы направить в расположенный в условленной точке океана детектор. При попадании нейтрино в такой детектор рождались бы мюоны, испускающие излучение Черенкова, а подводная лодка могла бы считывать переданную информацию при помощи детекторов, проходя мимо при патрулировании зоны. В источнике такая точка именуется «почтовый ящик»; указано, что в силу почти полного отсутствия помех на такой глубине, «ящиков» в заданной зоне могло бы быть несколько, а скорость передачи информации в «мюонное хранилище» (muon storage) могла бы составлять более 100 бит/с.
Предыдущий пример подсказывает, что наибольшую проблему в данном случае составляет вычленение сигнала из шума, то есть, необходимость создания детектора, который различал бы информативную последовательность нейтрино на фоне нейтрино естественного происхождения. Кроме того, в примере с подводными лодками не удается уйти от пропускания пучков нейтрино через толщу воды, которой в данном случае служит сам океан. Но сохранились сведения о работах, предполагающих нейтринную коммуникацию без использования водного резервуара. В 2016 году исследовательская лаборатория Pirelli в Милане опубликовала материал о том, что с начала 2000-х ведутся работы по синтезу кристаллов кремния или кварца, используемых в качестве детекторов нейтрино. Кристалл охлаждается почти до абсолютного нуля, и при попадании пучка нейтрино температура этого кристалла немного возрастает, что можно зафиксировать при помощи приборов. Такие детекторы были бы не только гораздо компактнее водных резервуаров, но и обеспечивали бы когерентное рассеяние полученных нейтрино, и их осцилляции затем можно было бы считывать и расшифровывать. Правда, пока ни о каких практических результатах этих исследований не сообщается
Широкую известность получил эксперимент, поставленный в 2012 году в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилабе) в Чикаго – в ходе упоминаемого эксперимента ученым действительно удалось передать в пучке нейтрино информацию, а именно закодировать слово «neutrino». Информация была передана с мощнейшего современного генератора нейтрино NuMI на расстояние более километра и зафиксирована детектором MINERvA. Вот как процесс проиллюстрирован на рис. 1 к упоминаемой научной статье:
Несомненно, перед нами лишь proof-of-concept (доказательство осуществимости), показанное почти 10 лет назад, но развитие нейтринной телекоммуникации ограничено техническими, а не фундаментальными сложностями. Таким образом, подобные технологии вполне могут стать реальностью.
Нейтрино и контроль над использованием ядерных реакторов
Одним из самых распространенных источников нейтрино на Земле являются ядерные реакторы. Предпринимаются попытки устанавливать уловители нейтрино (точнее — антинейтрино) вблизи от ядерного реактора, на расстоянии в пределах 10 метров, для изучения свойств этих частиц. О таком эксперименте подробно рассказано в интервью д.ф.-м.н. Дмитрия Наумова, зам. директора по научной работе Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. При этом Наумов отмечает, что по свойствам улавливаемых антинейтрино можно достоверно определить, не используется ли реактор для производства оружейного плутония-239. Любая компания, занимающаяся эксплуатацией ядерного реактора, обязана предоставлять данные о том, сколько плутония получает в ходе работы, и нейтрино позволяют проверить эти данные. Впрочем, существовали гораздо более фантастичные проекты, связанные с нейтринным шпионажем. В 2010 году группа французских физиков во главе с Тьерри Ласьерром опубликовала статью о том, как, регистрируя потоки нейтрино, можно обнаруживать незадекларированные ядерные реакторы. Более того, авторы предлагали устанавливать нейтринные детекторы на кораблях и следить за развитием ядерных программ Ирана и Северной Кореи, заходя в прибрежные воды этих государств.
Нейтрино и геологические изыскания
Эта прикладная возможность отчасти смыкается с предыдущей — предполагается, что детекторы нейтрино полезны при поиске месторождений урана и тория. Но гораздо более интересные возможности открываются при измерении свойств солнечных нейтрино, которые, как было указано выше, свободно пронизывают Землю насквозь. Изучая изменение осцилляций нейтрино при их прохождении через толщу пород можно было бы проводить «томографию» литосферы, находить в ней полости, анализировать плотность веществ, заполняющих эти полости. Такая технология открыла бы путь к обнаружению глубоких месторождений нефти. В частности, подобные идеи исследованы в статье перуанских ученых, опубликованной в 2015 году. Предполагается, что для такой цели могли бы использоваться не только солнечные нейтрино, но и направленные пучки нейтрино, сгенерированные искусственно. В таком случае геологоразведочные работы можно было бы существенно ускорить, затрачивая на поиск месторождений не годы, а месяцы. Впрочем, на момент публикации статьи еще не существовало столь мощных генераторов нейтрино, которые позволили бы воплотить эту технологию.
Впрочем, спектрометрия литосферы с использованием нейтрино вновь возвращает нас от прикладных задач, решаемых при помощи нейтрино, к фундаментальным. При наличии достаточно точных детекторов нейтрино можно было бы подробно изучить не только состав земной коры и распределение химических элементов в ней, но и продвинуться в исследовании свойств и состава земного ядра. Нейтринное зондирование позволило бы проверить (и окончательно опровергнуть?) даже весьма сомнительную теорию о существовании естественных ядерных реакторов в недрах планеты, но в эту тему я точно углубляться не буду.
Заключение
Надеюсь, у меня получился по-настоящему приземленный рассказ об исследовании нейтрино в XXI веке, и читатели убедились, что эти удивительные частицы важны отнюдь не только в космологии и теоретической физике. Если вам известны какие-то иные попытки практического применения нейтрино и технологии на их основе – давайте поговорим об этом в комментариях.