|
Тайны Вселенной исследуют в подземной лаборатории
|
|
|
|
В подземной лаборатории в горном регионе Италии, где наблюдаются самые низкие температуры, какие только известны во Вселенной, команды международных ученых пытаются разгадать одну из величайших загадок физики элементарных частиц. Профессор физики Калифорнийского политехнического университета Томас Гутьеррес входит в число более чем 150 ведущих международных ученых, принимающих участие в исследовании.
|
|
|
|
В Национальной лаборатории Гран-Сассо близ Ассерги, Италия, расположенной примерно в 80 милях к северо-востоку от Рима, глубоко под Аппенинскими горами, работают исследователи из университетов, включая Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Йельский университет, Массачусетский технологический институт, Университет Джона Хопкинса и Калифорнийский политехнический университет, а также ведущих европейских и азиатских кампусов.
|
|
|
|
Вместе с другими учеными Гутьеррес и его студенческая команда Калифорнийского политехнического университета изучают недоказанные теории, связанные с ядерным распадом, также известным как радиоактивный распад, - процессом, при котором нестабильное атомное ядро теряет энергию из-за излучения. Их работа направлена на то, чтобы помочь лучше объяснить, почему Вселенная полна материи, и раскрыть другие тайны, которые озадачивали ученых на протяжении многих поколений.
|
|
|
|
|
|
|
"Если вы можете найти что-то, что нарушает законы физики, то это открытие", - сказал Гутьеррес. "В настоящее время мы ищем такой тип ядерного распада, который в настоящее время запрещен законами физики. Этого не должно было произойти. Так что, если это произойдет, а именно этого мы и добиваемся, это многое расскажет вам о том, как устроен мир".
|
|
|
|
Исследование продолжает научное сотрудничество, начатое в рамках международной программы CUORE (Криогенная подземная обсерватория редких событий), которая теперь называется CUPID (обновление CUORE с идентификацией частиц). Слово "cuore" в переводе с итальянского означает "сердце"; таким образом, аббревиатура "купидон" используется для обозначения следующего, последнего этапа программы.
|
|
|
|
Область исследований Гутьерреса сосредоточена на нейтрино, которые представляют собой крошечные частицы с очень малой массой. Широко распространенные во Вселенной во время большого взрыва и распространяющиеся со скоростью, близкой к световой, нейтрино также могут возникать в результате сильных вспышек, подобных взрывающимся звездам.
|
|
|
|
Нейтрино часто образуются в результате радиоактивного распада. Поскольку они практически не взаимодействуют и нейтральны, они могут помочь объяснить загадки Вселенной, связанные с материей и антивеществом.
|
|
|
|
В современной физике у всех частиц есть античастицы, их собственные аналоги из антивещества: у электронов есть антиэлектроны (позитроны), у кварков есть антикварки, а у нейтронов и протонов (которые составляют ядра атомов) есть антинейтроны и антипротоны.
|
|
|
|
"По законам физики, там должно было быть равное количество материи и антивещества, и все они должны были аннигилировать, исчезнуть, и мы не должны были существовать", - сказал Гутьеррес. "И все же этот маленький кусочек материи, который остался, - это мы. Почему мы вообще существуем? Почему этот кусочек вообще здесь? Так что это своего рода загадка."
|
|
|
|
Согласно давней научной теории, нейтрино, которые имеют нейтральный заряд, могут быть собственными античастицами. Но эта концепция так и не была доказана. Работа CUPID надеется раскрыть возможность безнейтринного двойного бета-распада, радиоактивного процесса, при котором атомное ядро высвобождает два электрона, но не нейтрино. Наблюдение за этим распадом подтвердило бы гипотезу о том, что нейтрино являются своими собственными античастицами.
|
|
|
|
"Если произойдет двойной бета-распад без участия нейтрино, это даст нам всю информацию об основах существования материи, не только этой материи, но и всей материи в целом", - сказал Гутьеррес. "Это очень мощное открытие".
|
|
|
|
Гутьеррес и международная научная группа сотрудничают в исследовании кристаллов диоксида теллура, представляющего собой смесь элемента теллура и кислорода.
|
|
|
|
"Существует гипотеза, что изотоп теллура может подвергаться двойному бета-распаду без участия нейтрино", - сказал Гутьеррес.
|
|
|
|
По словам Гутьерреса, около трети ядер теллура в этом фрагменте кристалла являются подходящим изотопом.
|
|
|
|
"Идея состоит в том, чтобы использовать детектор из этого кристалла, где он измеряет свой собственный распад", - сказал Гутьеррес. "Он выделяет определенное количество энергии, повышая температуру, которую мы можем наблюдать. Благодаря этому тестированию, в лучшем случае, мы хотели бы иметь возможность сказать, является ли нейтрино своей собственной античастицей".
|
|
|
|
Итальянская лаборатория экранирует космические лучи и другую естественную радиоактивность с помощью примерно километрового слоя породы в каждом направлении и защитного экрана толщиной в шесть сантиметров, изготовленного из расплавленного свинца, найденного при кораблекрушении древнеримского торгового судна.
|
|
|
|
Древний свинец, используемый в качестве защитного ограждения для лабораторных исследований, не содержит собственных радиоактивных веществ благодаря естественному процессу, который длится столетия, что свидетельствует об эффективности использования свинца многовековой давности для науки.
|
|
|
|
Итальянский центр является крупнейшим подземным исследовательским центром в мире. Условия проведения холодных исследований были рассчитаны на температуру около 10 Милликельвинов, или -441,74 градуса по Фаренгейту, что является самым холодным объемом такого размера во Вселенной. Такие низкие температуры помогают в изучении частиц, потому что, когда частицы охлаждаются, они движутся намного медленнее, что позволяет ученым более точно изучать их поведение.
|
|
|
|
По словам Гутьерреса, люди "бились лбами о стену, пытаясь понять" теории, касающиеся противостояния антивещества и материи, и того, как могут быть задействованы нейтрино.
|
|
|
|
"Люди исследовали множество различных путей, но около 30 лет назад появилась идея о том, что если этот распад происходит, то это говорит нам о свойствах материи, и это означает, что Вселенная на самом деле отдает предпочтение материи перед антиматерией, хотя и незначительно", - сказал Гутьеррес.
|
|
|
|
Студенты Калифорнийского политехнического университета уже внесли свой вклад и будут продолжать это делать, в том числе Рейген Гарсия, специалист по физике, из Морро-Бей, Калифорния. Часть ее работы включает в себя управление дистанционными детекторами во время эксперимента, проходящего в Италии.
|
|
|
|
"CUORE нуждается в постоянном мониторинге, поэтому смена режимов работы удаленных детекторов является важной частью эксперимента", - сказал Гарсия. Гарсия также проводил летнюю работу в лаборатории Райта Йельского университета, сотрудничающей с экспериментом CUPID, где Гарсия проводил тестирование системы детекторов частиц.
|
|
|
|
"Было захватывающе участвовать в таких подробных, специфических аспектах экспериментального проектирования", - сказал Гарсия. "Прошедшее лето в Йельском университете стало самым захватывающим и полезным исследовательским опытом, в котором мне довелось участвовать".
|
|
|
|
Источник
|
