Нейтрино – все о космосе

Впервые обнаружен источник космических нейтрино. Почему это важно

Космос Автор: Яна Жежер |  13 июля, 10:56

12 июля коллаборация IceCube совместно с коллаборациями Fermi и MAGIC провела пресс-конференцию, на которой было объявлено о важном открытии в астрофизике: впервые обнаружен источник космических нейтрино. Это активная галактика в созвездии Ориона, ядро которой излучает поток частиц, направленных в сторону Земли. Подробнее об открытии рассказывает «Футурист»

Загадочные лучи

Блазар TXS 0506+056 в созвездии Ориона

Более ста лет назад были обнаружены космические лучи – поток частиц и атомных ядер, которые приходят на Землю из космоса. Но, несмотря на усилия множества ученых и различные открытия в данной области, основные вопросы все еще остались не отвеченными: какие именно частицы составляют космические лучи, где они рождаются и как ускоряются?

Рожденные и ускоренные в своем источнике, космические лучи начинают путешествие по Вселенной, в процессе которого они взаимодействуют с межзвездной средой и излучением и могут производить другие частицы.

Это позволяет использовать так называемый многокомпонентный подход к изучению астрофизических источников – одновременно от одного объекта можно регистрировать различные типы излучения, что должно помочь лучше понять происходящие в нем процессы.

На данный момент физика может похвастаться лишь двумя примерами многокомпонентных событий. Это взрыв сверхновой SN1987A в 1987 году, когда был одновременно зарегистрирован поток фотонов и нейтрино от одного источника, а также слияние двух нейтронных звезд GW170817, обнаруженное в эксперименте LIGO, излучение от которого было также задетектировано обсерваторией Fermi.

Обсерватория IceCube

Нейтринная обсерватория IceCube расположена на антарктической станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе. Она состоит из 86 «нитей» длиной около трех километров, помещенных в лед. На каждой нити установлены сенсоры, которые регистрируют излучение, рождающееся при взаимодействии нейтрино со льдом.

Строительство установки началось в 2004 году и завершено шесть лет спустя: уже через три года было объявлено об обнаружении нейтрино, предположительно рожденных вне Солнечной системы.

Однако, до настоящего времени не было обнаружено ни одного конкретного источника нейтрино – они приходили на Землю равномерно со всех возможных направлений, что не могло не приводить ученых в некоторое замешательство.

Была создана система оповещений между различными экспериментами: если кто-то один, скажем, регистрирует некое событие, информация об этом сразу же передается заинтересованным коллаборациям. Они, в свою очередь могут «посмотреть» тот же самый участок неба на предмет соответствующего излучения.

IC170922

22 сентября 2017 года обсерватория IceCube зарегистрировала одно весьма энергичное нейтрино, и разослала оповещение коллегам. Оказалось, что именно в этом направлении находится блазар, который наблюдает эксперимент Fermi, и именно в апреле 2017 года его яркость увеличилась в шесть раз.

Блазар – активная галактика, в центре которой находится сверхмассивная черная дыра. Такое галактическое ядро ускоряет и излучает частицы двумя «струями», джетами, один из которых направлен на Землю. Данный блазар является, судя по всему, источником протонов, которые в свою очередь сгенерировали поток нейтрино при взаимодействии с междвездным излучением.

Позднее наличие источника в данном направлении подтвердил эксперимент MAGIC и множество других инструментов. А в архивных данных самого IceCube обнаружилось еще порядка десяти нейтрино, пришедших из той же самой области неба.

Это открытие впервые позволило однозначно определить не только сам источник, но и тип рожденных в нем частиц. Астрофизика в полной мере шагнула в новую эру – эру многокомпонентного изучения объектов и прошла еще один важный этап на пути решения фундаментальных вопросов современности.

Подробнее о нейтрино для тех, кто не понимает физику

  Поделиться   Поделиться

Источник: https://futurist.ru/articles/1470

Нейтрино: крошечная частица, покорившая Вселенную

Нейтрино: крошечная частица, покорившая Вселенную

Сейчас мы стоим на пороге новой эпохи в космологии – эпохи нейтрино. За открытия в сфере взаимодействия этих частиц присуждают Нобелевскую премию, а область знаний о них даже планируется выделить в отдельный раздел науки о небесных телах – нейтринную астрофизику. Но что же это, в конце концов, такое, и чем  так революционны исследования этих частиц?

Итак, представьте себе ситуацию: начало ХХ ст., после открытия радиоактивности совместными усилиями Анри  Беккереля и супругов Кюри,  у физиков мира появляется новая «забава» – ядерные реакции.

Первым наблюдать их посчастливилось Эрнесту Резерфорду, который, используя знания о недавно обнаруженном радиоактивном излучении ядер атомов, с помощью потока альфа-частиц превращает азот в изотоп кислорода – и осуществляет тем самым первое в истории искусственное превращение элементов.

Ученые с запалом потирают руки: вот и очередное открытие, которое может изменить физику будущего. Но не все прошло так гладко. Несколькими годами позднее молодую и еще не окрепшую отрасль ядерной физики настигает глубочайший кризис.

Оказалось, что при протекании ядерных реакций бета-распада (реакция превращения ядра элемента с испусканием бета-частицы – электрона или позитрона) не соблюдаются основополагающие законы сохранения энергии и импульса: сумма количества затраченной энергии до реакции и после не совпадает – какая-то часть ее будто бы «улетучивается».

Наверное, вам  будет довольно сложно  понять состояние выдающихся ученых в тот момент, но это было самое что ни на есть отчаяние, граничащее с депрессией. Даже такие гении «физических дел», как Нильс Бор, опускали руки перед «бета-парадоксом» и, оправдываясь тем, что не все под силу постичь человеческим разумом, готовы были отказаться от основных для физики законов сохранения. 

Ситуацию спас молодой швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, который, к слову, приходился учеником Нильсу Бору.

Рассерженный на своего учителя и его коллег, так легко сдающих позиции перед вызовами науки, он осмелился постулировать наличие в таких реакциях «неуловимой» частицы, которая, по его словам, должна была уносить часть энергии с собой и уравновешивать   соотношения импульсов и энергий частиц до и после взаимодействия.

Таким образом молодой ученый лишь пытался отвести гениальные умы от мысли про отказ от законов физики – на деле, его догадки на тот момент ничем не подкреплялись.

Каково же было удивление Паули, когда через 23 года его предположения таки нашли свое экспериментальное подтверждение в лаборатории итальянского физика-ядерщика Энрико Ферми! «Пойманную» частицу окрестили нейтрино, в переводе – нейтрончик, «нейтральненький». (В. Паули, выдвигая в 1930 г. свою гипотезу, предлагал называть эту частицу нейтроном, т. к. она электрически нейтральна, но этим термином в 1932 г. уже была названа частица, входящая в состав ядра атома, открытая Джеймсом Чедвиком.)

Тут, пожалуй, следует сделать паузу и разъяснить, как именно «срабатывает» нейтрино в процессах бета-распада и не только, и какие уникальные физические свойства делают эту частицу по-настоящему «призрачной».

Согласно Стандартной модели (теоретическая конструкция в физике, описывающая все элементарные частицы) не все элементарные частицы являются фундаментальными – то есть такими, что составляют первоначальное звено в построении атома молекулы вещества.

Так, если взять нуклоны – протон и нейтрон – то они состоят из кварков, которые, в свою очередь, поделить на меньшие составляющие уже невозможно.

И таких разновидностей бесструктурных или «точечных» частиц три: помимо упомянутых кварков к ним также относятся лептоны и калибровочные бозоны (хотя последние, скорее, выступают лишь посредниками при взаимодействии предыдущих двух видов).

Основная разница между упомянутыми частицами состоит в том, в каких видах фундаментальных взаимодействий (всего существует четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое; далее – ВФВ) они могут участвовать: лептоны, в отличие от кварков, не вступают в сильное взаимодействие (cильное взаимодействие удерживает ядро атома и не дает нуклонам, составляющим его, разлететься)  а калибровочные бозоны делятся на подвиды, каждый из которых является «переносчиком» конкретного ВФВ. Так вот к чему мы ведем: нейтрино относится к классу лептонов, но немного отличается от своих собратьев. Дело в том, что все его «лептонные родственники», наиболее известным из которых для нас является электрон, обладают электрическим зарядом, который позволяет им вступать в электромагнитное взаимодействие. Нейтрино же электрически нейтрально,  а, следовательно, из четырех ВФВ для него остаются лишь гравитационное и слабое; но основным и единственным, в котором его можно заметить, является именно слабое взаимодействие.

В чем же оно заключается? Да все те ядерные реакции, о которых велась речь ранее, и являются примером слабого взаимодействия. Оно отвечает за превращение одной частицы в другую посредством ядерного распада.

И вот как это происходит: при приближении нейтрино практически вплотную (слабое взаимодействие названо слабым, так как действует только на крошечных расстояниях (приблизительно 0,1% диаметра протона)  к, например,  нейтрону, W+ – бозон нейтрино (до этого мы говорили, что конкретный вид калибровочного бозона отвечает за конкретный вид взаимодействия, так вот в слабом взаимодействии участвуют W-отрицательный (W-), W-положительный (W+) и Z-нейтральный (Z0) бозоны) переходит в нейтрон, где  изменяет его слабонегативный кварк на слабопозитивный; имея теперь в своем составе два слабопозитивных и один слабонегативный кварки, нейтрон превращается в протон, а нейтрино, потеряв позитивный W+-бозон, приобретает отрицательный заряд – и становится электроном. Так как число элементарных частиц атома элемента теперь изменено, то изменяется и сам химический элемент. Так и происходит полный процесс превращения элементов с учетом всех законов сохранения.  

Нейтрино в ядерных реакциях

Таким образом, единственный способ обнаружить нейтрино – это «поймать» его в момент взаимодействия с другой частицей, когда и происходит такое превращение. Но все не так просто, как кажется. Помимо всего прочего, нейтрино практически не контактирует с материей.

  Эти частицы беспрепятственно пронзают насквозь Солнце, нашу планету, нас! В этом «неуловимой» частице помогает и ее чрезвычайно маленькая масса: приближаясь к массивным телам, ее скорость ни на йоту не уменьшается, и она преодолевает гигантские небесные объекты легче, чем луч света преодолевает стекло. Оглянитесь вокруг: все, что вас окружает сейчас, в эту секунду пропускает через себя сотни триллионов нейтрино, и вы в том числе. Но узнать об этом вы сможете только лишь прочитав подобную статью: почувствовать нейтринные потоки невозможно. Это то, что называется интенсивностью взаимодействия: чем больше длина свободного пробега частицы (то есть расстояния, которое частица может преодолеть без смещений, столкновений и т.д.), тем слабее ее взаимодействие с веществом. У нейтрино это расстояние измеряется в астрономических единицах (среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за единицу измерения).

Изображение ЦЕРН – следы нейтрино в пузырьковой камере (прибор для регистрации треков заряженных частиц, работает путем вскипания перегретой жидкости вдоль траектории чаастицы) после столкновения нейтрино с электроном (обведен желтым) последний начинает двигаться по извилистой траектории

А это значит, что, чтобы поймать частицу-призрак, иногда нужно ждать невероятно долго, пока одна из триллиарда их не удосужится задеть один из  атомов какой-нибудь молекулы. Поэтому астрофизики идут на все, чтобы не только не упустить этот шанс, но и увеличить вероятность его наступления. Так,  чтобы отсеять другие фоновые процессы и не перепутать, к примеру, частицу из космического луча с нейтрино, установки по регистрации последних размещают глубоко под землей (японский детектор Super-Kamiokande – 1 км от поверхности; канадский детектор SNO –– 2 км)  или и того лучше – в толщи льда Антарктиды (детектор Ice Cube). Все эти детекторы работают по принципу фиксирования сверхчувствительными фотоумножителями  момент взаимодействия нейтрино с частицами атома молекулы воды, когда в результате образуется сверхбыстрая заряженная частица, провоцирующая в дальнейшем черенковское излучение (правильнее даже будет – излучение Вавилова-Черенкова: свечение в прозрачной среде, вызванное заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей скорость света в этой среде). 

Читайте также:  Рассеянное скопление m73 - все о космосе

Детектор Super-Kamiokande: огромный резервуар цилиндрической формы, помещенный под землю на глубине 1 км; изнутри весь покрыт фотоумножителями; заполняется дистиллированной водой  

Детектор Sudbury Neutrino Observatory (SNO): сфера из фотоумножителей окружает шар, наполненныый «тяжелой водой» (оксид  дейтерия – изотопа водорода; формула: D2O) находится на глубине 2 км от поверхности

Детектор Ice Cube: размещен на Южном полюсе, чтобы регистрировать нейтрино, проходящие сквозь Земной шар с Северного полушария; за источник очищенной воды использует антарктический лед; фотоумножители помещены вглубь льда (как показано на втором фото)

Но вы спросите: а для чего это все? Ведь экспериментально наличие этой частицы уже было доказано Ферми, да и ее роль в процессах ядерного распада тоже известна. Для чего же все эти тысячи фотоумножителей, десятки тысяч тонн воды и километры выкопанной земли (и даже льда)? А дело в том, что, как очень точно некогда высказался советский физик-теоретик  М.Марков:

«Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными “целями”»

Сказана эта фраза была еще в конце ХХ ст., сейчас же мы знакомы с нейтрино гораздо ближе, и уже можем кое-что констатировать.

Вспомните только последнюю Нобелевскую премию по физике – она была вручена за нейтринные осцилляции. Этим страшным словосочетанием называется, по сути, превращение одного вида нейтрино в другой.

Помните, мы говорили о лептонах? Так вот кроме электрона к ним также относятся мюон и тау-лептон (не заморачивайтесь с названиями: они отличаются лишь массой и реакциями, в которых задействованы).

Каждому из этих разновидностей лептонов соответствует отдельный вид нейтрино: электронный, мюонный и тау-нейтрино (существует также гипотеза о существовании четвертого вида – стерильного нейтрино, который вообще не  взаимодействует с веществом).  Отличаются они, соответственно, тем, какую частицу порождают в результате взаимодействия с атомом.

Вот в приведенном выше примере с реакцией взаимодействия  нейтрино с нейтроном в результате испустился электрон – следовательно, это был след электронного нейтрино. При этом лауретами было обнаружено, что виды нейтрино взаимодействуют и друг с другом, имея возможность превращаться в «своего товарища».

То есть электронное нейтрино становится мюонным, а то, в свою очередь, может обернуться на тау-нейтрино.  Это многое объясняет, так как до этого все нейтринные детекторы регистрировали только 1/3 от предполагаемого количества частиц. Как выяснилось, проблема заключалась в том, что отлавливали они лишь электронные нейтрино, не зная, что 2/3 их на пути из  космоса до Земли изменяют свою «специализацию».

Схемы обнаружения процессов осцилляции нейтрино на одной из обсерваторий

Но почему же это открытие настолько важно, что заслуживает Нобелевской премии?   Да потому, что долгое время нейтрино считалось безмассовой частицей, а открытие процессов осцилляции является беспрекословным доказательством обратного: виды могут взаимопревращаться только если они имеют массу, причем такую, что электронное нейтрино будет легче, чем последнее в цепочке превращений – тау-нейтрино. Доказательство же существования у нейтрино массы открывает перед нами целые горизонты в исследовании роли этой частицы во Вселенной.

И вот почему. Нейтрино, несмотря на всю непримечательность своих физических характеристик,  является самой распространенной частицей во Вселенной.

Их настолько много, что на все остальное «не нейтринное» вещество приходится всего около 3-10%  Вселенной! То есть,  как выражаются многие астрофизики, мы, считайте, живем в нейтринной Вселенной! Однако будь эти частицы безмассовыми, подобного рода информация не принесла бы нам много пользы – разве что для общего развития. Но так как мы уже убедились в обратном, мы можем даже утверждать, что именно сила тяготения нейтрино определяет процесс ускоренного расширения Вселенной – ведь доминируя в количестве и, как следствие, в массе, нейтрино преобладает и в гравитационном действии. Вполне взможно, что именно охлаждение нейтринных сгустков и “разбрасывание” их по космическому пространству может “раздувать” нашу Вселенную. Энергии для этого им вполне хватает, ведь они забирают ее у самих звезд.

Варианты развития Вселенной после Большого взрыва: первые три сверху – если бы Вселенная не расширялась; последний – наша Вселенная

По данным ученых Вселенная прекратит процесс расширения, как только достигнет критической плотности.

Ранее считалось, что до нее еще довольно далеко (примерно 100 раз по возрасту современной Вселенной), но учитывая нововыявленные обстоятельства – наличие массы у частиц, плотность которых во Вселенной в 30 раз больше плотности другого вещества, – этот момент гораздо ближе, чем нам кажется.

В этом случает сила тяготения нейтрино уже будет служить “тормозом” в расширении.

Также, это открытие проливает свет и на многие процессы, происходящие в период Большого Взрыва. Долгое время было неясно, каким же именно образом распределялась материя, составляющая теперь все небесные тела. Вначале она представляла собой однородное раскаленное вещество – плазму.

Но что заставило ее так «раскучкуваться» в местах, где в дальнейшем были образованы галактики? И ответ снова – нейтрино. Дело в том, что уже по истечению 1 секунды после Большого Взрыва плазма перестала быть для этих частиц препятствием – они вышли за ее пределы, перестав участвовать во внутреплазменных реакциях.

Тогда эти частицы, полные энергии, двигались со скоростью света и, взаимопревращаясь, с легкостью влетали и вылетали из «нейтринных облаков». Но со временем (приблизительно 300 лет) нейтрино растратили свою энергию, и их скорость уже не позволяла им так просто покидать «нейтринные сгустки».

Так образовались плотнейшие скопления нейтрино. К этому времени плазма уже приостыла и стала менее плотной. Тут и сработала сила тяготения скоплений нейтрино, которая и «расшматовала» однородное вещество.

Таким образом скопления вещества распределились по «нейтринным облакам», в дальнейшем превратясь в целые системы из небесных тел. Так в космическом пространстве появились галактики, размещенные в «нейтринных ячейках».

Все это делает так званую «частицу-фантом» невероятно интересной и важной для изучения. Если нам таки удастся с ней «подружиться», мы сможем намного ближе познакомиться с космосом и процессами, протекающими в его глубинах. Ведь в отличие от электромагнитных волн, излучений и т.п.

нейтрино поступают к нам из самого центра событий – сердцевины звезд, например, таких, как Солнце, где участвуют в термоядерных реакциях.

Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции длинной в световые года, они могут доставлять нам ценную информацию о всех этих процессах из самых дальних закоулков космоса.

Но более интересно даже другое. Всем известно, что во времена зарождения Вселенной вместе с материей сосуществовала и антиматерия. Мы знаем, например, что электрон имеет свою античастицу – позитрон, а протон – антипротон. И так со всеми частицами: свойства одинаковые, только заряд противоположный.

Но в нашем мире почему-то стала преобладать обычная материя. Где же антиподы всем частицам? Существует гипотеза, что где-то во Вселенной может быть зеркальное отражение нашего мира – антимир из антивещества.

Но даже если и предположить такое, найти его будет практически невозможно – несмотря на то, что все химические процессы там будут протекать при участии антиатомов, нашим физическим приборам этого не распознать: все излучения, поступающие к нам «оттуда» будут идентичны нашим. Единственный вариант обнаружить антимир – это поймать антинейтрино.

(Так как нейтрино не имеет заряда, разница между ним и его антиподом заключается в направлении спина – говоря ненаучным языком, стороной вращения вокруг себя.) Ведь эта частица, точно также как нейтрино с электроном, принимает непосредственное участие в образовании позитрона (а также антимюона и антитау-лептона).

Так что, зафиксировав однажды прилетевшее антинейтрино, мы сможем говорить об антиматерии, таящейся в космосе. Мысль эта, конечно, кажется до боли фантастической, но куда же в астрофизику и без капли фантазии?

Модель параллельной Вселенной

Вот такие они, эти нейтрино. Настолько же интересные, насколько и полезные.

Представьте только, что будет, если нам удастся реализовать механизм нейтринной передачи информации – нейтринную телефонную связь, к примеру? Ведь тогда словосочетание «отсутствие связи» просто выйдет из употребления – поговорить с близкими мы сможем даже находясь на дне Марианского жёлоба!

И хотя пока что это все лишь планы и догадки, ученым уже ясно одно:  нейтрино –  настоящий феномен ХХI века.

Стиль и орфография автора сохранены. Откройте свою колонку на Naked Science и поделитесь своими знаниями с миллионной аудиторией сайта.

Дарья Заремба

Источник: https://naked-science.ru/article/column/neytrino-kroshechnaya-chastica

Все что вам нужно знать о нейтрино

Эти самые загадочные из частиц обладают нейтральным зарядом и практически нулевой массой, редко взаимодействуя с обычной материей. Триллионы нейтрино в секунду легко проходят через наши тела, здания и Землю.

Их существование было впервые предсказано Вольфгангом Паули, который получил за свою работу Нобелевскую премию в 1945 году. Эта частица является побочным продуктом многих ядерных реакций: синтеза на Солнце, деления атомного ядра в атомном оружии или атомной станции и природного радиоактивного распада внутри Земли.

Если они такие скрытные, откуда мы знаем, что они вообще существуют?

Хотя нейтрино обычно избегают контакта с материей, иногда они врезаются в атом, в результате чего образуется сигнал, позволяющий обнаружить их.

Что необычного в нейтрино?

Большинство частиц существуют в двух вариантах: в первом случае они вращаются по часовой стрелке, а во втором случае – против.

Нейтрино – единственные частицы, которые встречаются только в одном варианте – все обнаруженные частицы вращаются против часовой стрелки.

Некоторые теоретики заявляют, что это может свидетельствовать о существовании других измерений, в которых находятся “пропавшие” нейтрино, вращающиеся по часовой стрелке.

Что еще?

Пропавшие нейтрино, вращающиеся по часовой стрелке, могут оказаться темной материей. Считается, что из нее состоит до 80 процентов всей материи во Вселенной, и она не дает галактикам разлететься в разные стороны. Идея состоит в том, что нейтрино, вращающиеся в правую сторону, могут быть намного тяжелей вращающихся влево, поэтому способны обеспечить необходимую гравитацию.

А что имеется в виду, когда говориться что существуют разные виды нейтрино?

Еще одно необычное свойство нейтрино заключается в том, что существует, по меньшей мере, три вида этих частиц – тау, электрон и мюон, при этом, они способны превращаться из одного вида в другой. Эксперименты показали, что существуют отличия в том, как преобразуются нейтрино и антинейтрино, что может объяснить несоответствие между количеством материи и антиматерии в ранней Вселенной.

У этой частицы есть практическое применение?

Некоторые физики считают, что нейтрино можно использовать для передачи информации без проводов, кабелей и спутников. Подводный детектор нейтрино ANTARES параллельно используется в качестве телескопа морской живности. Дело в том, что наряду с нейтрино, он способен улавливать свет, который испускают светящиеся организмы и бактерии.

Оригинал (на англ. языке): Newscientist

Физикам известно, что существует три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В ходе нескольких экспериментов, ученые обнаружили каждый из этих видов нейтрино и даже могли наблюдать за их переходом из одного вида в другой и обратно.

Но начиная с ранних 90-х, в ходе экспериментов была выявлена досадная аномалия: мюонное антинейтрино переходит в электронное антинейтрино на 3% чаще, чем было предсказано.

Это недоразумение может быть разрешено, если добавить четвертый сорт нейтрино

Читайте также:  Созвездие возничий - все о космосе

Нейтрино, произведенные ядерным реактором в Китае, видоизменяются из одного вида в другой быстрей, чем ожидалось. Это может помочь объяснить, почему Вселенная заполнена материей, а не однообразной радиацией.

Нейтрино, как и антинейтрино, бывает трех видов: электронным, мюонным и тау. По мере того, как они пролетают сквозь пространство, они могут превращаться из одного вида в другой.

Изменение вида измеряется тремя параметрами, так называемыми углами смешивания

В ответ на возникшую волну интереса ученых всего мира к эксперименту OPERA, была опубликована статья, описывающая эксперименты, продемонстрировавшие, что нейтрино движется быстрей скорости света.

Помимо этого, автор этой работы провел семинар, в котором описал содержание статьи.

И везде красной нитью проходит мысль о том, что измерение скорости частиц, предположительно двигающихся быстрее скорости света – чрезвычайно сложная задача

Источник: http://GlobalScience.ru/article/read/19768/

Ученый: исследование нейтрино поменяло представление о космосе

ТОКИО, 6 октября. /Корр. ТАСС Алексей Заврачаев/. Исследование нейтрино и доказательство наличия у него массы поменяло представление о космосе. Такое мнение выразил сегодня японский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике 1973 года Лео Эсаки, комментируя присуждение премии за 2015 год его соотечественнику Такааки Кадзите.

“Нейтрино – это по сути базовые космические частицы. Исследование, которое помогло доказать наличие у них массы полностью поменяло представление человечества о космосе.

Благодаря этому стало возможным их применение в исследовательских целях на Земле”, – приводит его слова телеканал Эн-эйч-кей.

“Японские физики получают почетную награду по физике второй год подряд, и это становится хорошей традицией”, – отметил он.

Ранее Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзите (Япония) и Артуру Макдональду (Канада) за доказательство нейтринных осцилляций и того факта, что у нейтрино есть масса.

“Я очень рад, однако я пока полностью не осознал, что произошло. Это не то исследование, которое сразу оказалось полезным. Однако я считаю, что оно помогло расширить горизонты для жителей Земли”, – заявил на пресс-конференции в Токио Такааки Кадзита. “Такое исследование невозможно провести одному. Я благодарю всех, кто участвовал в этом проекте, а это более 100 человек”, – отметил он.

С присуждением почетной награды Кадзиту поздравили государственный министр по науке и технологиям Сунъити Ямагути и министр образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии Хакубун Симомура.

“Япония продемонстрировала уровень своих научных исследований, и это нашло признание за рубежом.

Впервые космическими лучами начал заниматься Косиба Масатоси, а Такааки Кадзита успешно продолжил его начинания”, – заявил Симомура.

Применение космических лучей

Нейтрино – элементарная частица, которая “отвечает” за одно из четырех фундаментальных взаимодействий, а именно за слабое взаимодействие. Оно лежит в основе радиоактивных распадов.

Указания на существование нейтринных осцилляций в измеренных потоках солнечных нейтрино существовали давно, но экспериментально явление открыли только через 40 лет на нейтринном детекторе Супер-Камиоканде /Super-Kamiokande/ в Японии. Группой исследователей руководил один из нынешних лауреатов Такааки Кадзита.

В настоящее время в Японии активно применяются технологии с использованием космических лучей.

В частности, недавно специалисты из университета Нагоя при помощи метода улавливания мюонов /элементарных частиц, которые образуются при попадании лучей космической радиации в земную атмосферу – прим. ТАСС/ “просветили” насквозь первый и второй реактор аварийной АЭС “Фукусима-1”.

В результате, они пришли к выводу, что большая часть находившегося там ядерного топлива расплавилась и, предположительно, находится на дне защитной оболочки, что затрудняет операцию по его извлечению.

Второй год подряд

Такааки Кадзита – японский физик, получивший известность благодаря своим исследованиям нейтрино /частицы с очень малой массой и без электрического заряда, постоянно пронизывающие Землю/. Кадзита родился в 1959 году в префектуре Сайтама.

В 1981 году он закончил научный факультет Университета Сайтама, а в 1986 году получил степень доктора в Токийском университете. После этого он начал работать в Центре изучения космических частиц при Токийском университете, где и стал изучать потоки космических лучей вокруг Земли. Он стал 24-м японцем, удостоенным Нобелевской премии.

В понедельник его соотечественнику, профессору Сатоси Омуре была присуждена эта престижная награда в области физиологии и медицины.

Японские физики получают Нобелевскую премию по физике уже второй год подряд. В прошлом году лауреатами стали Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура за изобретение эффективных синих светодиодов /LED/.

Как говорилось в мотивации решения Нобелевского комитета, “лауреаты изобрели новый энергосберегающий и экологичный источник света – синий светодиод (LED).

Он дает новые возможности для получения белого света, являющиеся более устойчивой и эффективной альтернативой старым источникам света”.

Источник: http://tass.ru/nauka/2322280

Нейтрино высоких энергий из дальнего космоса

До сих пор ученым удавалось наблюдать только нейтрино малых энергий. Теперь в Антарктиде впервые зарегистрированы нейтрино высоких энергий из дальнего космоса.

Среди всех стабильных фундаментальных частиц, известных сегодня ученым, самая, пожалуй, загадочная и уж, во всяком случае, самая труднонаблюдаемая – нейтрино.

В природе существует три вида нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), причем они способны преобразовываться друг в друга.

Но хотя нейтрино порождаются ежесекундно в огромных количествах – как при бета-распаде, так и в процессе ядерного синтеза (например, на Солнце и других звездах, где водород превращается в гелий), мы их не замечаем.

Поскольку эта частица участвует лишь в слабом и гравитационном взаимодействиях, не имеет электрического заряда и обладает, хоть и отличной от нуля, но крайне малой массой покоя, она чрезвычайно редко взаимодействует с веществом.

Каждую секунду любого из нас пронизывают, ничем себя не проявляя, триллионы нейтрино. Точно так же, то есть практически беспрепятственно, нейтрино пролетают и сквозь земной шар.

По этой причине их регистрация сопряжена с огромными трудностями.

Первые удачные попытки детектировать нейтрино

Первые удачные попытки решения этой задачи предприняли американец Раймонд Дэвис-младший (Raymond Davis Jr.) и японец Масатоси Косиба (Masatoshi Koshiba), за что в 2002 году удостоились Нобелевской премии по физике. Их детекторы представляли собой огромные подземные резервуары, наполненные у Дэвиса – тетрахлорэтиленом, у Косибы – водой.

Эти работы впервые экспериментально подтвердили возможность регистрации нейтрино и тем самым заложили основы так называемой нейтринной астрономии, задача которой состоит в получении сведений о происходящих в космосе процессах путем изучения нейтринного излучения внеземных источников. Понятно, что для развития этого направления исследований понадобились новые, более совершенные и чувствительные приборы.

IceCube – крупнейший в мире нейтринный телескоп

Три года назад на Южном полюсе завершился монтаж самого крупного в мире нейтринного телескопа под названием , что в переводе с английского означает “Ледяной куб”.

Телескоп и в самом деле представляет собой кубический километр льда, то есть ледяной куб с ребром длиной в 1 километр, нашпигованный более чем 5 тысячами светочувствительных сенсоров-фотоумножителей, размещенных внутри стеклянных шаров размером с баскетбольный мяч.

Причем этот куб “спрятан” в самой толще ледяного массива: если суммарная толщина ледяного покрова на Южном полюсе составляет без малого 3 километра, то верхняя грань куба-детектора находится на глубине 1450 метров, нижняя грань – соответственно на глубине 2450 метров.

На таких глубинах, во-первых, практически отсутствуют помехи, а во-вторых, лед чрезвычайно прозрачен, что является совершенно необходимым условием эффективной работы нейтринного телескопа.

Излучение Вавилова-Черенкова в толще льда

“Обычно нейтрино пролетают сквозь детектор совершенно бесследно, – говорит Кристиан Шпиринг (Christian Spiering), ведущий научный сотрудник Немецкого электронного синхротрона DESY в Цойтене близ Берлина. – Но иногда – очень-очень редко – нейтрино все же сталкивается с атомным ядром, и при этом образуются вторичные частицы. Такие события и регистрирует IceCube”.

Нобелевской премии по физике за 2013 год удостоилось предсказание бозона Хиггса

Физики всего мира на протяжении десятилетий охотились за бозоном Хиггса – частицей, предсказанной полвека назад. Теперь авторов гипотезы удостоили Нобелевской премии.

Единственный видимый след нейтрино – крайне слабая и мгновенно гаснущая вспышка так называемого излучения Вавилова-Черенкова. В частности, это свечение возникает при стремительном прохождении сквозь прозрачную среду – в данном случае лед – высокоэнергетического мюона, образующегося при взаимодействии нейтрино с атомным ядром.

Улавливать эти едва заметные и чрезвычайно редкие вспышки должны светочувствительные сенсоры “Ледяного куба”. Для их размещения в толще льда были использованы 86 скважин, но не пробуренных, а проплавленных струей горячей воды под давлением.

Скважины с опущенными в них гирляндами сенсоров через несколько дней снова замерзли, ледяной массив полностью восстановился.

Итоги первых двух лет работы IceCube

Теперь ученые подвели итоги первых двух лет работы телескопа – их статья опубликована в журнале Science.

За истекшее время было зарегистрировано почти 200 тысяч нейтринных событий – в среднем одно событие каждые шесть минут, – но почти все они были вызваны частицами низких энергий, то есть теми, что в огромном количестве испускаются Солнцем или образуются в верхних слоях атмосферы Земли под воздействием космических лучей. “Нас же, собственно, интересуют нейтрино не земного и не солнечного происхождения, а нейтрино высоких энергий, прилетевшие к нам из глубин Вселенной”, – говорит Кристиан Шпиринг. Ведь такие нейтрино могут послужить источником ценной информации о породивших их сверхновых, пульсарах, черных дырах, активных галактических ядрах, гамма-всплесках и прочих подобных феноменах.

28 эпохальных нейтринных события… и еще одно

И ученым действительно удалось зарегистрировать такие космические нейтрино – в общей сложности 28 штук.

Дилетанту этот результат может показаться скромным, но специалисты прекрасно понимают огромное значение открытия, подчеркивает Кристиан Шпиринг: “Теперь едва ли кто-то сможет усомниться в том, что мы зарегистрировали первые космические нейтрино – и тем самым открыли новое окно для изучения Вселенной”.

Все 28 нейтрино космического происхождения обладали энергией свыше 30 тераэлектронвольт, а два из них – даже свыше 1000 тераэлектронвольт. Мало того, хотя в статье в Science об этом не написано, поскольку она охватывает результаты наблюдений лишь по май прошлого года, на IceCube тем временем было зарегистрировано нейтрино с энергией около 2000 тераэлектронвольт.

Для сравнения: Большой адронный коллайдер, самый мощный ускоритель частиц, в 2015 году должен выйти на уровень всего в 14 тераэлектронвольт.

Охота на нейтрино высоких энергий продолжается

“В перечне вопросов, на которые мы надеемся найти ответ с помощью нейтрино, на первом месте стоит вопрос о происхождении космического излучения высоких энергий, – говорит Кристиан Шпиринг. – Мы знаем, что энергия этого излучение может в миллионы раз превосходить ту, что мы можем получить на Большом адронном коллайдере. Но что разгоняет частицы до таких энергий, мы понятия не имеем”.

Крайне интересно было бы, если бы оказалось, что несколько нейтрино высоких энергий прилетели из одного и того же направления – ведь это означало бы, что там расположен некий гигантский космический ускоритель частиц.

“Похоже, что некоторый очень небольшой избыток нейтрино имеется в направлении центра нашей галактики, – говорит ученый. – Но этот эффект слишком незначителен, то есть вероятность, что мы имеем тут дело просто со статистической флуктуацией, довольно велика.

Зарегистрированных “Ледяным кубом” нейтронных событий пока недостаточно, чтобы делать далеко идущие выводы. Возможно, года через два ситуация прояснится”.

Читайте также:  Каков истинный цвет нептуна? - все о космосе

Владимир Фрадкин

webhnd.com по следам 

Источник: http://webhnd.com/meteozavisimost/nejtrino-vysokix-energij-iz-dalnego-kosmosa/

Нейтринная связь: как это работает и что обещает

В рамках эксперимента физикам удалось передать информацию с помощью частиц нейтрино. Очевидно, что пока “нейтринному телеграфу” далеко до практического применения. Тем не менее, перспективы огромны.

14 марта 2012 года случилось событие, сравнимое с изобретением радиосвязи: ученые из американской Национальной ускорительной лаборатории им.

Энрико Ферми (FermiLab) смогли передать информацию с помощью частиц нейтрино. Пока это первый сложнейший эксперимент, далекий от практического применения.

Но теперь есть уверенность, что развитие технологии нейтринной связи совершит революцию в области коммуникаций и кардинально изменит мир.

Неуловимые

Нейтрино – это совершенно уникальная частица, к сожалению, пока малоизученная.

Частица нейтрино похожа на электрон, но имеет важное отличие: у нее нет электрического заряда. Благодаря этому на нейтрино не влияют электромагнитные поля. Современной физике известны четыре типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное (связывает нейтроны и протоны) и слабое.

На нейтрино влияют лишь очень слабые субатомные силы, имеющие гораздо меньшую дальность, чем электромагнетизм – меньше размера атомного ядра. Гравитация, как самое слабое из четырех взаимодействий, также не оказывает значительного воздействия на нейтрино с околонулевой массой.

Таким образом, уникальные свойства нейтрино позволяют им проходить сквозь практически любые препятствия и преодолевать большие расстояния.

Нейтрино – это одни из самых распространенных частиц во Вселенной. Большинство нейтрино образовались около 15 миллиардов лет назад, вскоре после рождения Вселенной.

С этого момента Вселенная непрерывно расширяется и охлаждается, а нейтрино просто продолжают свой бесконечный полет.

Другие нейтрино постоянно производятся в реакторах атомных электростанций, ускорителях частиц, ядерных взрывах, во время рождения, гибели звезд и т.д.

Приемники, передатчики

Нейтрино везде: миллиард этих всепроникающих частиц пронзают человека каждую секунду. Но из-за способности проходить сквозь любую материю нейтрино очень трудно поймать с помощью детекторов научных приборов.

Хорошо «ловятся» только высокоэнергетические нейтрино, но их на Землю попадает слишком мало – большинство «теряются» еще в космосе.

Но даже и с менее энергичными частицами не все так просто: из миллиардов частиц нейтрино лучшие современные детекторы обнаруживают лишь одну.

Нам повезло, что есть вещества-сцинтилляторы, способные задерживать хотя бы это небольшое количество высокоскоростных нейтрино, например, изотоп хлор-37 или галлий. Так, при столкновении нейтрино с ядром атома хлора образуется электрон и радиоактивный аргон.

Это вещество используется при изучении нейтрино, которые испускает Солнце.

Также для обнаружения нейтрино используется и обычная хорошо очищенная вода: частица сталкивается с атомом воды и «вышибает» из него электрон, оставляющий в воде светящийся след, так называемое Черенковское излучение.

Инжектор NuMi

Увы, но взаимодействие нейтрино все равно настолько редки, что требуется строить очень большие приемники с десятками тысяч литров вещества-ловушки. В своем эксперименте ученые Fermilab использовали главный инжектор проекта NuMI, дающий самый мощный в мире пучок нейтрино.

Установка каждые 2,2 секунды производит импульсы длиной 1,8 микросекунды, выбрасывающие протоны с энергией 120 ГэВ. Протонный пучок ударяет в мишень из углерода, в результате чего образуются множество пионов, каонов и других частиц.

Почти все пионы и каоны распадаются на нейтрино, которые летят в том же направлении, куда был первоначально направлен протонный пучок, т.е. в строну детектора (приемника).

Детектор MINERvA

В эксперименте по нейтринной коммуникации поток нейтрино пролетел 1035 метров (причем 240 из них – сквозь сплошную скальную породу) к детектору MINERvA, расположенному в подземной пещере на глубине около 100 метров.

Все оборудование MINERvA представляет собой огромное сооружение весом в 170 тонн. Основная часть приемника относительно компактна: 5х2,1 метра.

Центральная часть состоит из «пачки» в 120 модулей с различными сцинтиляторами (He, C, Fe, Pb, H2O, CH).

Свечение, образующееся в результате взаимодействия сцинтиляторов с нейтрино, регистрируется с помощью чувствительных фотоприемников и передается по оптоволоконным кабелям к фотоэлектронным умножителям.

Детектор MINERvA способен регистрировать воздействие одного нейтрино каждые 8 секунд, что на сегодня является очень хорошим показателем, но это пока слишком мало для разговора о полноценной высокоскоростной нейтринной связи. При этом для фиксации используется не только набор сложнейшего оборудования, но и соответствующее программное обеспечение, способное выделить нейтринное событие.

Передача информации

Для передачи информации был использован простейший метод кодирования сигнала: отсутствие протонного пучка это «0», а его включение – «1». Это очень примитивный метод, особенно если учесть, что для регистрации нейтринных событий и обработки данных требуется некоторое время. Таким образом, возможности регистрации не космического нейтрино пока не очень велики и требуют длительной передачи.

На рисунке 1 видно, что для передачи данных использовался пучок нейтрино без модуляции. Черной линией обозначена передача данных, а пунктирной – процесс Пуассона, который используется для моделирования потока космических частиц.

В ходе эксперимента было также важно отличить нейтрино из инжектора NuMI от космических нейтрино. Поэтому был выбран наиболее простой и легко интерпретируемый метод передачи, хотя и не самый эффективный.

Структура сообщения показана на рисунке 2а. Для первой в истории нейтринной передачи информации было выбрано сообщение из 8 букв – слово «нейтрино» (neutrino).

Каждая буква этого слова была зашифрована 5-битным кодом, полученным удалением первых двух (левых) битов в стандартном 7-битном коде ASCII.

В результате получилось 40-битное сообщение, которое затем было закодировано с помощью свёрточного кода, предназначенного для исправления возможных ошибок, возникающих во время передачи информации.

Код имел длину кодового ограничения равную 7, что соответствует стандартам связи НАСА и ЕКА. Это увеличило размер сообщения до 92 бит. Затем был добавлен псевдошумовой сигнал синхронизации – еще 64 бит. Итого: слово из 8 букв поместилось в 156-битное сообщение (кадр), которое повторялось на протяжении всего эксперимента.

Инжектор-передатчик NuMI отправлял пучкок нейтронов с интервалами 2,2 секунды между каждым и суперциклом в 61,267 секунды. Приемник, детектор MINERvA, на протяжении 142 минут эксперимента сделал 3454 записей.

Надо подчеркнуть, что особенности нейтрино и инжектора-передатчика заставили ученых выбрать самый простой и не очень быстрый метод дешифровки сигнала и исправления ошибок приема. Фактически, это объединение нескольких передач, когда кадры (в нашем случае слово «нейтрино) синхронизируются для сравнения структуры битов и замены поврежденной информации.

На рисунке 3 видна статистика синхронизации кадров. Кружками отмечены правильно реконструированные сообщения. Некоторые кадры получить не удалось из-за прекращения работы инжектора или детектора. Таким образом, передача сообщения была подтверждена на основании расшифровки и синхронизации 2 из 15 полученных кадров.

Теоретические расчеты процесса Пуассона показывают, что при 5 кадрах 99% передаваемых бит декодируются правильно. А полное отсутствие ошибок наблюдается при синхронизации 9 кадров.

В реальном эксперименте каждый кадр передавался с точностью 78%.

Это хорошо видно на рисунке 2в, где изображен один кадр (сообщение со словом «нейтрино»): в верхней части зелеными и белыми полосками показаны переданные биты информации, внизу – принятые.

Синхронизация нескольких таких кадров позволяет реконструировать кадр и заполнить прорехи, появившиеся в результате различных помех. В принципе детектор MINERvA может регистрировать в среднем 0,81 нейтринное событие на каждый импульс из 2,25×1013 нейтрино.

Выглядит ничтожно мало, но, тем не менее, при выбранном кодировании сообщения (сигнал получен это «1», не получен – «0») за два кадра можно добиться точности передачи битов в 99%. В любом случае, в обсуждаемом эксперименте не стояла задача добиться максимальной скорости передачи, а лишь опытным путем доказать возможность нейтринной связи.

Но потенциал более скоростного соединения есть даже при примитивных методиках кодирования.

Схема эксперимента по нейтринной связи

Для данного эксперимента максимальная теоретическая скорость передачи данных 0,37 бит/импульс инжектора. То есть, например, для получения точности 99% при передаче 40 бит информации нам нужно сделать две серии по 92 импульса – итого 184. На практике скорость передачи в два раза ниже: около 0,22 бит/импульс.

Как было написано выше, инжектор NuMi может выдавать импульс каждые 2,2 секунды, а значит, для текущего эксперимента скорость передачи данных была равна около 0,11 бит в секунду.

По сравнению с современными беспроводными сетями, способными передать мегабайты данных за секунду, нейтринная связь работает очень медленно.

Но не забываем, что ни один радиопередатчик не способен послать сигнал сквозь 240 м скальной породы, а для нейтринного – потенциально и Юпитер с Солнцем вместе взятые не являются препятствием.

Применение

Возможность коммуникаций с помощью нейтрино начала активно обсуждаться учеными с конца 1960-х годов. Прежде всего, нейтринная связь интересовала военных – им нужен надежный способ связи с подлодками, которые находятся на большой глубине. Сегодня для этих целей используются радиостанции, работающие в диапазоне очень низких частот (3—30 кГц).

Радиоволны этого диапазона проходят сквозь воду на глубину до 20 м, и таким образом подлодка может получить от командования приказы, находясь под водой. Однако строительство низкочастотного радиопередатчика – это очень сложное дело, поскольку требуется построить антенну для радиоволны длиной около 3,6-3,9 км.

Длина такой антенны должна быть около 2 км, а вес составляет сотни тонн. Например, антенный комплекс российской станции связи с подлодками «Антей» (расположена вблизи г. Вилейка, Беларусь) весит 900 т.

На этом фоне нейтринный приемопередатчик, возможно, вызывающий ироничную усмешку у скептиков, выглядит компактным прибором, весящим «всего» десятки тонн. В общем, сейчас инженеры используют различные ухищрения, вроде электродов, зарытых в землю и использующих ее в качестве антенны.

Но в любом случае низкочастотные передатчики слишком уязвимы для ударов противника, обеспечивают скорость передачи данных до 100 кб/сек и потребляют очень много электроэнергии с низким КПД.

Буксируемые антенны, установленные на подлодке, тоже имеют большую длину, к тому же они работают только на прием и для двусторонней связи все равно нужно использовать спутник-ретранслятор. Нейтринная связь может решить эту проблему, ведь нейтрино легко проходят сквозь толщу воды и корпус подлодки. Возможность связи с командованием без необходимости всплытия существенно повысит надежность морской компоненты ядерного щита.

Нейтринные приемопередатчики решат, наконец, проблему связи с космическими аппаратами: с ними можно будет связаться, даже если они закрыты от Земли другой планетой.

Также нейтринная связь может повлиять и на гражданские коммуникации: нейтринный сигнал проходит сквозь толщу Земли приблизительно на 20 миллисекунд быстрее, чем радиосигнал, направленный через спутники-ретрансляторы.

Но, пожалуй, главное, что открывает нам прорыв в нейтринной связи – это возможность слушать Вселенную в совершенно новом диапазоне. Некоторые ученые, в том числе и из Fermilab, считают, что связь между высокоразвитыми цивилизации ведется именно с помощью нейтрино.

Дело в том, что ни одно электромагнитное сообщение не способно пересечь всю галактику: оно неизбежно будет уничтожено мощными помехами, «заглохнет» в облаках пыли, отразится от планет, «утонет» в глубине звезды и т.д. В то же время нейтрино способны проделать этот путь и доставить послание.

Пока для участия в гипотетических галактических нейтринных коммуникационных сетях у человечества недостаточно высокий уровень технологий.

Прежде всего, нам надо научиться генерировать и модулировать сверхмощные нейтронные пучки, а также создать детекторы, способные улавливать 60 и более процентов нейтрино, а не одну штуку из триллионов. Возможно, с развитием нанотехнологий нам это удастся.

Михаил Левкевич

Источник: https://cosmos.mirtesen.ru/blog/43613455693

Ссылка на основную публикацию