10.01.2023. - Разгадка тайн нейтрино

Разгадка тайн нейтрино

Нейтрино занимаются своими делами. Каждую секунду миллиарды этих элементарных частиц будут проходить сквозь звезды, планеты, здания и человеческие тела и редко когда-либо будут останавливаться ими, как субатомная толпа в метро. Вот почему их часто называют «призрачными» или «неуловимыми». Если бы ученые могли создавать и фиксировать редкие случаи, когда эти крошечные и слабо взаимодействующие частицы сталкиваются с чем-либо, они могли бы шагнуть в серую зону, которую все физики в конечном итоге надеются исследовать, сказал физик-теоретик Патрик Хубер: область фактов, которые существуют вне стандартной модели. физики элементарных частиц, за пределами ее объяснения. Там живут нейтрино и темная материя.

Поведение нейтрино, если его точно измерить, могло бы служить доказательством того, как мы — и наши тела, здания, планеты и звезды, состоящие из материи, — могли существовать после Большого взрыва. «Есть определенные вещи, которые стандартная модель не объясняет, например, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии», — сказал Хубер, профессор кафедры физики и научный сотрудник Роджера Мура и Моджде Хатам-Мура в Технологическом институте Вирджинии. Колледж науки. «Но мы так и не нашли ингредиентов, которые заставляют эти известные факты, выходящие за рамки стандартной модели, действительно работать. Если и должен быть большой вклад новой физики, он может реально проявиться только в нейтрино».

Чтобы выяснить, что замышляют нейтрино, физикам нужно выстрелить в них самым мощным лучом, когда-либо созданным на далеком, массивном, подземном и кропотливо точном детекторе частиц. Более тысячи ученых объединились, чтобы создать такой эксперимент в рамках многолетнего проекта под названием Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), организованного Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США или Fermilab.

В течение последнего десятилетия и в ходе подготовки к разработке DUNE Хьюбер сотрудничал с физиком-экспериментатором Камилло Мариани из Центра физики нейтрино Технологического института Вирджинии, где они искали способы достижения беспрецедентной точности, необходимой для экспериментов, подобных DUNE, для измерения поведения нейтрино. и откройте для себя «новую физику», которую ищет поле. Мариани привнес то, чему они научились, в свою работу в международной команде DUNE при разработке объекта. Их стремление к точности является частью головоломки, которую Рэймонд Дэвис-младший и Джон Бахкол начали в 1960-х годах с попыток подсчета солнечных нейтрино.

Рэймонд Дэвис-младший руководил одним из первых экспериментов по измерению нейтрино, исходящих от одного из распространенных в природе источников: Солнца. Когда Дэвис строил эксперимент на шахте Homestake Mine в Лиде, Южная Дакота, Бахколл рассчитал количество солнечных нейтрино, которое, как он предсказал, эксперимент соберет в результате ядерных реакций, происходивших внутри его большого подземного резервуара, заполненного очищающей жидкостью. Но эксперимент Homestake, который проводился с 1970 по 1992 год, собрал только одну треть нейтрино, предсказанного Бахколлом.

Большинство физиков того времени полагали, что либо Дэвис сделал что-то не так с экспериментом, либо расчеты Бахколла были ошибочными. Проблема пропавших нейтрино стала известна как «проблема солнечных нейтрино», которую физики пытались решить годами. Ученые из Нейтринной обсерватории Садбери, наконец, решили ее в ходе эксперимента 2002 года на канадской шахте. Используя гигантскую сферу, наполненную тяжелой водой, они измерили нейтрино по свету, образующемуся внутри нее в результате ядерных реакций. Они нашли причину отсутствия нейтрино: нейтрино меняют тип или «аромат», когда летят в космосе.

Известно три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау. Эксперимент Садбери был чувствителен ко всем трем, в отличие от эксперимента Дэвиса, который улавливал только электронные нейтрино. Именно это явление смены ароматов, известное как «осцилляция нейтрино», прямо противоречит стандартной модели, которая предсказывала, что нейтрино не имеют массы.

Мариани анализирует нейтринные осцилляции с помощью ароматизаторов мороженого. «Вы можете представить, что вы идете в магазин мороженого и получаете свое любимое: банан», — сказал Мариани. «А потом вы выходите, и вкус вашего мороженого теперь становится клубничным. Вы делаете еще два шага, и клубника становится ванилью. Еще три шага, и ваниль становится кокосом. Это то, что люди называют колебанием. функция пройденного расстояния за функцию времени. И это происходит только в том случае, если масса частицы не равна нулю».

Решив проблему отсутствия солнечных нейтрино, физики перешли к изучению того, как работают нейтринные осцилляции. По словам Хубера, главный, лежащий в основе научный вопрос сегодня заключается в том, происходят ли эти изменения вкуса нейтрино и антинейтрино с одинаковой скоростью или нет. Если они колеблются по-разному, то эта разница — физический процесс, известный как CP-нарушение, — может помочь объяснить, почему наша Вселенная состоит из нас и нашего окружения, а не только из света и света.

Физики считают, что 14 миллиардов лет назад во Вселенной было точно такое же количество материи и антиматерии. «Если бы это было правдой, а так было всегда, то в конце концов вся материя и антиматерия встретились бы друг с другом и стали бы светом», — сказал Хубер. «Тогда Вселенная содержала бы только свет и ничего больше. Очевидно, это произошло не так».

Поскольку мы существуем, ясно, что материя доминировала над антиматерией во время Большого взрыва, в результате нарушения симметрии. Осцилляции нейтрино могли бы показать, как это возможно, продемонстрировав собственную асимметрию. DUNE дает возможность уловить эту асимметрию в действии — или нет.

По словам Хубера, разница в частоте колебаний между нейтрино и антинейтрино — или ее отсутствие — не будет бросаться в глаза, поэтому такие физики, как он и Мариани, так зациклены на точности. В измерениях DUNE оно может составлять десятые или сотые доли числа. Хотя это подвиг, DUNE — это минимум, необходимый для его выполнения, сказал Хубер, потому что в случае точного измерения колебаний нейтрино «вам нужна ракета Сатурн, чтобы полететь на Луну».

«За последние два десятилетия физика ушла из области, где мы были счастливы просто сказать: «О, мы видели нейтрино, ура!», в точку, где мы пытаемся проводить очень точные измерения», — сказал Хубер. «DUNE является воплощением этого. Это действительно конец многолетней эволюции, когда физика нейтрино становилась все более и более точной. DUNE пытается провести одно из самых точных измерений, когда-либо предпринятых с нейтрино».

При измерении нейтринных осцилляций есть некоторые обязательные условия: создание достаточного количества нейтринных событий, лишь немногие из которых будут уловлены экспериментом; установить достаточное расстояние между источником нейтрино и их конечной точкой, чтобы они могли демонстрировать свои колебания; и создание масштабной установки с достаточно высоким разрешением, чтобы уловить энергию, оставленную событиями.

Ответ DUNE на это начинается с мощного пучка нейтрино, базирующегося в Фермилабе в Батавии, штат Иллинойс. Здесь физик будет стрелять нейтрино под землей на расстоянии 1300 километров под землей с помощью детектора частиц массой 40 000 тонн, заполненного жидким аргоном. Детектор будет расположен в том же районе добычи полезных ископаемых, который использовался в эксперименте Homestake в Южной Дакоте.

По словам Мариани, поскольку нейтрино сталкиваются с аргоном внутри детектора и оставляют следы энергии, этот материал обеспечит непревзойденную точность их измерения. «По сути, это все равно, что взять фотоаппарат 1980-х годов и сравнить его с камерой вашего телефона, которая имеет миллионы пикселей», — сказал он.

У Колледжа наук есть еще одна связь с DUNE, тоже довольно близкая. Кевин Питтс, который начал свою работу в качестве декана колледжа в июне прошлого года и является аффилированным преподавателем физического факультета, в прошлом году был назначен главным научным сотрудником Фермилаб. Там он курировал научную программу лаборатории, которая включает многомиллиардный проект DUNE.

«Эксперимент DUNE станет поистине замечательным технологическим достижением, которое приведет к действительно замечательным научным открытиям», — сказал Питтс. «В этом эксперименте будет задействовано 40 000 тонн жидкого аргона на милю под землей в заброшенном золотом руднике в Блэк-Хиллз. Ученые со всего мира вносят свой вклад в эти усилия, потому что они воодушевлены трансформационной наукой, которая будет проводиться на этом объекте».

В течение многих лет Мариани и Хубер работали над тем, чтобы эта часть проекта DUNE не провалилась. Поскольку ученые на самом деле не видят самих нейтрино, когда частицы сталкиваются с детектором, они должны реконструировать взаимодействие, которое имело место с оставшейся энергией.

По словам Хубера, правильность этого зависит от микрофизики того, что происходит во время взаимодействия. Воссоздать взаимодействие так же сложно, как проследить последствия попадания пули в часы, сказал он: «В зависимости от того, как вы можете попасть в часы, у вас могут вылететь шестеренки, у вас могут вылететь цифры. часы или все взаимодействие, из этого мне нужно знать вероятность того, что пуля вылетит из каждой данной части системы».

При попадании нейтрино в атомы аргона ядра аргона могут выбрасывать все виды частиц: нейтроны, протоны и новые частицы, такие как пионы, которые детекторы легко пропустят и которые необходимо учитывать для точного измерения полной энергии, производимой атомами. нейтринное событие. «Я думаю, что в нашей работе с доктором Мариани мы были первой группой, которая действительно попыталась изучить детали этого и количественно определить, какие систематические неопределенности могут возникнуть из-за этого», — сказал Хубер. «Я думаю, что эта работа оказала огромное влияние на то, как люди думают о разработке всего эксперимента».

Хубер и Мариани рассматривают Центр физики нейтрино как одно из немногих мест, где может иметь место такое тесное сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами. С момента своего основания в 2010 году центр строил свои теоретические и экспериментальные программы с учетом того, что по мере развития нейтринной физики теоретики и экспериментаторы всегда будут нуждаться друг в друге.

В физике теория и эксперименты, как правило, идут вперед и назад в цикле обратной связи: теоретики задают вопрос, экспериментаторы выясняют, как построить эксперимент, чтобы попытаться ответить на вопрос, и как только у них есть данные, теоретики попробуй понять, что это значит. Когда теоретики и экспериментаторы не могут понять друг друга, это не может пройти гладко. По словам Хубера, это становится все легче и легче, поскольку карьера в области физики, как правило, побуждает ученых идентифицировать себя либо как теоретиков, либо как экспериментаторов. «К тому времени, когда вы становитесь взрослым исследователем, вы часто теряете способность эффективно общаться друг с другом», — сказал Хубер. «Я думаю, что единственный способ обойти это — регулярное социальное взаимодействие, где, в конце концов, вы учитесь понимать язык другой стороны».

Хубер, директор центра, сказал, что важно искать способы поддерживать диалог между теоретиками и экспериментаторами, проводя совместные теоретические и экспериментальные семинары или что-то столь же простое, как общая чашка кофе. «У доктора Мариани есть хорошая кофеварка, — сказал он. «Это действительно случайное социальное взаимодействие и отношения, в которых никто не стесняется задавать глупые вопросы. Я могу пройти по коридору и спросить любого из моих коллег-экспериментаторов: «Эй, что произойдет, если вы сделаете X?» И в основном они скажет мне: «Ну, X взорвется» или что-то в этом роде. Но иногда вы обнаруживаете, что у вас есть действительно интересные новые вещи, которые вы можете сделать».

Так и пойдет с DUNE. По словам Хубера, способность проекта раскрыть новые идеи о нейтрино будет частично зависеть от того, как его ученые смогут сосредоточить свои различные таланты на одном и том же вопросе. Планируется, что DUNE будет собирать данные об осцилляциях нейтрино в течение 20 лет, начиная с 2029 года. Пройдет еще 10–15 лет, прежде чем физики смогут найти смысл в результатах. Они могут найти или не найти доказательства, отвечающие на вопрос о доминировании материи над антиматерией во Вселенной. Но потенциал DUNE выходит за рамки этого, сказал Хубер.

DUNE представляет собой объект с технологиями, которые физики смогут использовать так, как они еще не придумали. «Вот здесь становится по-настоящему интересно», — сказал Хубер. «Как только у вас есть это новое оборудование и технические возможности, люди становятся очень творческими и находят тысячи других способов извлечь из этого новую науку. На самом деле то, что мы делаем в науке, движимо любопытством. Вот почему мы это делаем."

Источник