Что вообще такое нейтрино?
Нейтрино похоже на электрон, но не имеет заряда. Для этих частиц как будто не существует материи, они практически не взаимодействуют с веществом — представьте, что конкретно сейчас примерно квадриллион нейтрино незаметно проходит через ваше тело! Масса одной частицы нейтрино составляет не более 0,8 эВ (электронвольт). Для сравнения: масса электрона — 511 000 эВ.
Ого, такие маленькие! А как их обнаружили?
В 1914 году английский физик Джеймс Чедвик заметил, что при бета-распаде электроны вылетают из атомов вещества с разными скоростями. Это означало, что атом при каждом испускании электрона теряет разное количество энергии. Причем эти потери оказались гораздо меньше теоретически рассчитанных ранее значений, что противоречило закону сохранения энергии.
Физики были в отчаянии и допускали, что закон сохранения энергии может не работать. Спас положение Вольфганг Паули. В 1930 году он предположил, что вместе с электронами испускается неизвестная частица, которая забирает часть энергии распада.
Только в 1956 году ученым Фредерику Райнесу и Клайду Коуэну удалось запечатлеть нейтрино с помощью сцинтилляционного детектора — устройства, заполненного специальным веществом, излучающим свет при поглощении ионизирующего излучения. Вот как это работало: нейтрино сталкивалось с атомами вещества сцинтиллятора, при этом возникали ионизирующие частицы (электроны, ядра отдачи и осколки расщепленных ядер). Эти частицы поглощались сцинтиллятором, который в ответ выпускал фотоны — вспышки света. Затем свет фиксировали с помощью фотоэлектронного умножителя — прибора, который преобразует световые сигналы в электрические. Таким образом удалось доказать существование нейтрино, вылетающих из ядерного реактора. Закон сохранения энергии переписывать не пришлось, а ученые получили новый объект для изучения.
Но откуда взялись эти частицы?
Нейтрино образуются в ходе химических процессов, происходящих на разных небесных телах: планетах, сверхновых звездах, блазарах и так далее. На Земле ученые в основном регистрируют нейтрино, исходящие от Солнца и из ядра нашей планеты.
А как нейтрино помогают науке?
Они хранят в себе много историй: например, могут много рассказать о тех звездах и планетах, с которых прилетели. Частицы летят прямо из того места, где они образовались, не отклоняясь и не ощущая на себе по пути действия сторонних факторов.
Нейтрино могли бы помочь выяснить, из чего состоит темная материя: по поведению они очень на нее похожи. Ученые предполагают, что частицы, составляющие темную материю, также нейтральны по заряду и вступают только в гравитационное или слабое ядерное взаимодействие. Возможно, нейтрино либо распадаются на частицы темной материи, либо каким-то образом взаимодействуют с ними.
Изучение нейтрино чем-то похоже на анализ археологических раскопок. Если по останкам древних цивилизаций ученые могут воссоздать культуру и быт народов, то нейтрино помогают расширить наше представление о происхождении Вселенной.
Так, ясно. А если частицы такие маленькие, то как ученые находят и изучают их?
Так как нейтрино проходят через любое вещество, поймать их в чистом виде невозможно: таких сверхчувствительных детекторов пока не изобрели. Но можно фиксировать их и изучать по следам соударения с другими частицами, с которыми они могут вступать во взаимодействия, например с протонами. В результате этого столкновения образуются заряженные частицы — скажем, электрон или мюон, которые обладают большой энергией, движутся почти со скоростью света и, сталкиваясь, вызывают вспышки света — так называемое черенковское излучение. Регистрируя эти вспышки, можно определить не только энергию нейтрино, но даже направление их полета.
Для этого ученые строят лаборатории, где искусственно создают пучки нейтрино. Например, с 2002 года проводится эксперимент Booster neutrino experiment (BooNE), где ученые создают нейтринные пучки с высокой концентрацией нейтрино, которые затем направляют в сферу, заполненную чистым минеральным маслом. Там расположено множество электронных фотоумножителей, которые и фиксируют вспышки света.
А чтобы обнаруживать и изучать космические нейтрино, глубоко под землей или подо льдом строят гигантские сооружения — нейтринные обсерватории. Земная кора или вода выступают в роли фильтра, который отсеивает лишнее космическое излучение, и там на глубине вероятность зафиксировать именно нейтрино гораздо выше.
