Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Реликтовые нейтрино: что это такое и как их "Ловят".

08.10.2017 в 18:52

Изучение почти неуловимых частиц - нейтрино уже давно привлекает внимание ученых. Для их обнаружения глубоко под землей или подо льдом строятся гигантские сооружения - нейтринные обсерватории. Одна из них, нейтринная обсерватория сэдбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO), предназначалась для исследования нейтрино, порожденных ядерными реакциями на солнце. Ее детектирующий комплекс был размещен на глубине около 2 км в бывшей шахте в сэдбери в канадской провинции онтарио
. Он представлял собой 1000-кубометровый акриловый шаровой контейнер диаметром 12 м, наполненный тяжелой водой D2O, содержащей раствор поваренной соли Nacl. Контейнер со всех сторон окружали 9522 фотоумножителя, смонтированные на 17-метровой решетчатой сфере из нержавеющей стали. Весь детектор был погружен в цилиндрическую емкость высотой 30 м, выдолбленную в скальной породе и наполненную обычной водой. Двухкилометровый слой скальных пород защищал детектор от космических лучей, которые могли бы "Затмить" слабые сигналы от солнечных нейтрино.
Солнечные нейтрино.
Установка SNO с равным успехом регистрировала как электронные нейтрино, так и мюонные и тау - нейтрино. Столь универсальная чувствительность стала возможной благодаря измерению параметров ядерных реакций двух различных типов. В реакции первого типа электронное нейтрино с очень малой, но все же ненулевой вероятностью взаимодействует с нейтроном в ядре дейтерия, превращая его в протон и электрон, из-за чего ядро распадается на электрон и два протона. Электрон уносит почти всю кинетическую энергию нейтрино и потому приобретает скорость, превышающую скорость света в тяжелой воде. В результате он порождает черенковское излучение, которое отлавливается фотоумножителями.

В океане плазмы.
Теоретическая астрофизика и космология утверждают, что задолго до того, как космическое пространство оказалось прозрачным для этих фотонов, оно стало полностью проницаемым для нейтрино, которые тоже перестали рассеиваться на более тяжелых частицах и пустились путешествовать по вселенной. Это эпохальное событие имело место, когда после большого взрыва прошло лишь около секунды. В случае если удастся экспериментально подтвердить существование этих реликтовых частиц, наука получит бесценные сведения об устройстве совсем юного космоса.
Второй тип реакций - когда нейтрино "Разваливает" дейтрон на протон и нейтрон, причем на эту реакцию в равной степени способны нейтрино всех трех типов. Высвободившийся медленный (как говорят физики, тепловой) нейтрон поглощается либо другим дейтроном, который превращается в ядро трития, либо ядром хлора - 35, которое дает начало хлору - 36. В обоих случаях испускаются гамма-кванты, которые ионизируют соседние атомы. В результате ионизации опять-таки возникают быстродвижущиеся электроны, которые тоже регистрируются фотоумножителями по их черенковскому излучению. Поваренная соль была добавлена из-за того, что ядра хлора куда лучше поглощают медленные нейтроны по сравнению с ядрами дейтерия.
Падающие нейтрино могут вообще не заметить ядра дейтерия и вместо этого претерпеть рассеяние на электронных оболочках. В этой реакции тоже участвуют нейтрино всех типов, хотя электронные вступают в нее в шесть раз чаще прочих. Однако она не дает четко выраженного характерного спектра и к тому же производит в десять раз меньше наблюдаемых событий (примерно 3 в сутки вместо 30), поэтому в работе детектора практически не использовалась.

Обсерватория сэдбери приступила к работе в мае 1999 года. Сначала она работала на чистой тяжелой воде; хлористый натрий был добавлен через два с лишним года, после завершения предварительной серии измерений. Весной 2002 года экспериментаторы объявили, что плотность потока солнечных нейтрино, вычисленная на основе детектирования продуктов реакции второго типа, составила 5, 09 млн на квадратный сантиметр и примерно втрое превысила ее значение (1, 75 млн на 1 см 2), подсчитанное на базе выхода реакции первого типа. Это значение с хорошей точностью совпало с результатами, предсказанными на основе стандартной модели солнечного термояда. Так было впервые непосредственно доказано, что на солнце рождается теоретически вычисленное количество электронных нейтрино, треть из которых по пути к земле превращаются в мюонные, а еще треть - в тау - нейтрино (подобные переходы называются нейтринными осцилляциями. Позднее для контроля полученных результатов был использован другой метод детектирования, который применялся вплоть до прекращения эксперимента в ноябре 2006 года. После этого нейтринный телескоп сэдбери был модифицирован и сейчас используется в новых исследовательских проектах.
Проблемы реликтов.

Таким образом, если задача обнаружения солнечных нейтрино сложна, но осуществима, то обнаружение реликтовых нейтрино представляет собой настоящую проблему. Дело не в том, что реликтовых нейтрино мало, - их плотность практически совпадает с плотностью реликтовых фотонов, которые отлично ловятся радиотелескопами в микроволновом диапазоне. Беда в том, что кинетическая энергия таких нейтрино совершенно ничтожна. В момент их высвобождения она составляла около миллиона электронвольт, но с тех пор уменьшилась в 10 млрд раз! Мы вспомним, с каким трудом и с помощью каких дорогостоящих гигантских установок физики регистрируют нейтрино, рожденные в ядерных реакторах и в недрах солнца, - а ведь их энергии измеряются многими килоэлектронвольтами. Не случайно почти все специалисты считают создание аппаратуры для детектирования реликтовых нейтрино делом очень далекого будущего. Профессор астрономии и космологии виргинского университета Марк виттл и космолог из Fermilab Скотт доделсон в беседе с "ПМ", не сговариваясь, выразили уверенность, что такие нейтринные телескопы не появятся в нынешнем столетии.
Тем не менее в массачусетском технологическом институте развернута исследовательская программа, цель которой заключается именно в регистрации реликтовых нейтрино. Об этом проекте в эксклюзивном интервью "ПМ" рассказал один из его главных участников, профессор Джозеф формажио. Источник: Popmech. ru.