ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 19.02.21
    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Темна конячка

    Скільки ще Нобелівських премій світить дослідникам нейтрино? Чому ця частинка ‒ справжня темна конячка Всесвіту? Розповідаємо в останній частині нашої нейтринної збірки! (Попередні читайте тут і тут.)

    Майорана чи Дірак?

     

    Хоча нейтрино – справді дуже захоплива тема, зізнаємося, що ми трохи нагнітали таємничості в попередніх статтях про цю частинку. Однак наступна історія – лише факти. Наскільки дивні чи загадкові – вирішуйте самі. 

     

    В 1930-х роках молодий італієць Етторе Майорана працює над теорією істинно-нейтральних частинок. Ця робота натхненна недавнім відкриттям позитронів. Відкриті в цьому ж десятилітті, вони з’явились «на кінчику пера» фізика-теоретика Поля Дірака, їхнє існування випливало із розв’язків рівняння Дірака для електрона. Тобто позитрон відкрили саме через існування математичного розв’язку рівняння, яке початково описувало іншу частинку – електрон. Позитрони – античастинки електронів, вони повторюють всі властивості електронів, крім однієї – мають протилежний електричний заряд. Майорана досліджував, чи можливими є ферміониФерміони – частинки, в яких спін напівцілий (1/2,3/2…)., які були б античастинками до самих себе, або як ще кажуть, істинно-нейтральними частинками. Прикладом такої частинки є фотон, однак фотони належать до іншого класу елементарних частинок, бозонівБозони – частинки з цілим спіном.. В 1937 році Майорана публікує роботу, де наводить рівняння, що описують таку істинно-нейтральну частинку. Він теоретизує, що істинно-нейтральними ферміонами можуть бути нейтрино, хоча в його моделі частинки повинні бути масивними (нагадаємо, в той час нейтрино беззаперечно вважались безмасовими). А навесні 1938 року Етторе Майорана таємничо безслідно зникає. Ані його колегам, ані поліції не вдається його знайти, а гіпотези, куди він міг подітися – дуже різні (наклав на себе руки, втік до Венесуели чи Аргентини, пішов в монастир). Незрозумілими були і мотиви такого зникнення. Доля Майорани досі невідома.

     

    І тільки двадцять років по тому відкриття, зроблене в експерименті Ґольдгабера, вдихнуло нове життя в гіпотезу зниклого, але не забутого Майорани. Якщо існують лише праві антинейтрино і лише ліві нейтрино (а дослід вказував саме на це), то, можливо, антинейтрино і нейтрино – одна і та сама частинка, що відрізняється лише спіральністю? Це б означало, що вона не несе жодного заряду, навіть лептонного аромату, і має ненульову масу. Такий тип нейтрино назвали майоранівським, на противагу діраківському, для якого передбачається існування лівих антинейтрино та правих нейтрино. Однак, якщо такі й існують, то знайти їх ще важче, ніж вже відомі і так невловимі нейтрино, адже вони досі не проявили себе у жодній взаємодії. Тому такі гіпотетичні нейтрино назвали стерильними. Та оскільки стерильних нейтрино ще не знайшли, питання про тип вже відомих нейтрино (Дірака чи Майорани) і сьогодні залишається відкритим. 

     

    Воно має більше значення, ніж може здатися на перший погляд. Від того, до якого типу частинок належить нейтрино, залежить один з фундаментальних законів природи – закон збереження лептонного числаЛептонне число – квантове число, властиве лептонам, відповідає закону збереження лептонного заряду. Лептонний заряд дорівнює 1 для частинок та -1 для античастинок. Лептонне число дорівнює різниці кількості лептонів і антилептонів. Досі всі реакції вказують, що в природі строго виконується закон збереження лептонного заряду.. Якщо нейтрино є майоранівськими, то цей закон не виконується в нашому Всесвіті. Це пов’язано з симетріями, притаманними квантовим полям. Якщо це так, то це ще один потужний удар по Стандартній моделі і привід переглянути наукові основи нашого світу. І, оскільки шансів побачити реакцію типу «нейтрино+антинейтрино» в нас немає бодай теоретичних через виняткову слабкість взаємодії цих частинок навіть з матерією, не те що між собою, єдиним способом дізнатись відповідь на це питання є безнейтринний подвійний бета-розпад. 

    Безнейтринний подвійний бета-розпад 

     

    Якщо один фізик-теоретик бачить іншого в стані сильного здивування чи збудження, то він може пожартувати: «Ого, ти наче щойно безнейтринний подвійний бета-розпад побачив». Цей тип реакції є, без сумніву, святим ґраалем всієї нейтринної фізики та й, можливо, фізики частинок загалом. 

     

    Бета-розпад добре відомий багатьом людям, адже це один із типів радіоактивності, і, можливо, той, що наробив людству найбільше біди. Зокрема, через бета-розпад розпадається зловідомий українцям ізотоп цезій-137, що найбільше забруднює радіацією Чорнобильську зону відчуження. Подвійний бета-розпад – схожий до цього процес, але він значно рідше трапляється в природі. Власне, це найбільш рідкісний тип радіоактивного розпаду, притаманний лише 14 ізотопам (з понад 3000). При цьому ядро, що розпадається, випромінює одразу два електрони, на відміну від одного в звичайному бета-розпаді. Періоди напіврозпадуПеріод напіврозпаду – це час, за який розпадається половина від початкової кількості ізотопів. в таких процесів – величезні. Найповільніший радіоактивний процес, виявлений на сьогодні – це подвійний бета-розпад Ксенону-124 із періодом напіврозпаду в кілька мільярдів разів більшим, ніж вік Всесвіту. І от лише деякі з подвійних бета-розпадів – поки що в теорії – можуть бути безнейтринними. Безнейтринний бета-розпад буде відрізнятись від звичайного іншим енергетичним спектром своїх продуктів. Але навіть при звичайному бета-розпаді нейтрино прямо не детектують – їх надто мало. Висновок про наявність нейтрино в продуктах розпаду робиться на основі спектру електронів розпаду (тобто розподілу енергії таких електронів). Тож ще з 1980-х років вчені взялись полювати за ним, дуже уважно спостерігаючи за подвійними бета-розпадами в лабораторіях. Та досі жодного надійно підтвердженого випадку такого процесу не знайшли. Наразі відомі лише обмеження на ймовірність подвійного безнейтриного бета-розпаду. Якщо він і можливий, то в середньому ядро, що розпадається у такий спосіб, живе 2*1025 років. Так, це, можливо, найменш ймовірний процес, що трапляється в фізиці частинок, а може, і в цьому Всесвіті взагалі. На нашу скромну думку, відкриття безнейтринного бета-розпаду однозначно здобуде Нобелівську премію.

     

    В цій статті нам ще залишилось розглянути космічні пригоди нейтрино, оглянути найновіші та найзнаменитіші сучасні експерименти в нейтринні фізиці та астрономії та дізнатись про вклад України та українців в цю науку. 

    Нейтрино і космос

     

    З відкриттям сонячних нейтрино стало зрозуміло, що нейтрино стануть ще одним каналом, з допомогою якого можна підглядати за Всесвітом, разом з недавно народженими на той час радіоастрономією та гамма-астрономією. Спалахи наднових, блазариБлазар – підклас активних ядер галактик, для яких характерна суттєва зміна яскравості в оптичному діапазоні., викиди джетівДжет – струмінь розжареного газу вздовж осі обертання. Вони характерні для чорних дір, утворюються внаслідок акреції газу на них. та інші найрізноманітніші космічні катастрофи супроводжуються зокрема викидами високоенергетичних нейтрино. Як їх виявляють? 

     

    Випромінювання Вавілова-Черенкова

     

    Випромінювання Вавілова-Черенкова, або черенковське випромінювання – це електромагнітне випромінювання частинки при її русі в суцільному середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла в цьому середовищі (швидкість світла в будь-якому середовищі є меншою ніж швидкість світла у вакуумі). Це явище стало справжньою знахідкою для вчених, що досліджують частинки, які приходять з космосу. Чимало з них прилітають з такою шаленою енергією, що їхня швидкість перевищує швидкість світла в атмосфері, що і породжує світло, яке можна виявити. Та у випадку нейтрино є можливість ловити це світло навіть не в атмосфері, а біля поверхні Землі, наприклад, у великих резервуарах з водою, адже для цих частинок немає жодних перешкод, вони досягають навіть захованих під землею детекторів. І справді, на сьогодні вже існує ціла низка детекторів такого типу, і вони виявляють атмосферні нейтрино та високоенергетичні нейтрино з космосу. Тож можна сказати, що ера нейтринної астрономії почалась. На жаль, напрям руху космічних нейтрино, які детектують на Землі, визначають недостатньо точно, щоб ототожнювати з джерелами світла на небі. За всю історію спостережень було лише два випадки такого ототожнення джерела нейтрино. Це спалах наднової SN1987A і блазар TXS 0506+056 в момент підвищення активності в 1987 і 2017 роках відповідно. Астрофізики дуже втішились, адже реєстрація нейтрино від них означала погляд на події (зокрема колапс і спалах наднової) з нової точки зору, а отже, можливість більш детального розуміння цих подій в космосі. Вже зараз будуються і проєктуються нейтринні детектори, що зможуть ототожнити з потоками космічних нейтрино значно більше подій, тож на цю галузь ще чекає її апогей. 

     

    Нейтрино в космології

     

    Окремо зупинимось на космологічних, або реліктових, нейтрино. Мабуть, чимало людей, які цікавляться космосом, знають про існування реліктового мікрохвильового фону – відлуння Великого вибуху у вигляді електромагнітного випромінювання, яке утворилось в момент, коли первинна плазма охолола достатньо, щоб стати прозорою для світла. Завдяки відкриттю цього фону вчені змогли дуже багато дізнатись про Всесвіт, його історію та наповнення. Та мало хто знає, що в мікрохвильового фону є його нейтринний аналог, реліктовий нейтринний фон. Від первинної плазми нейтрино відщепились набагато раніше, ніж фотони (частки секунди після Великого вибуху в порівнянні з сотнями тисяч років), адже взаємодіють вони набагато слабше. «Вистигнути», аналогічно до реліктових фотонів, вони встигли навіть ще більше: якщо ефективна температура мікрохвильового фону складає 2,7 градусів Кельвіна (-270,3 за Цельсієм), то нейтринного – всього 1,9 градусів. Звичайно ж, в теорії – адже такі низькоенергетичні нейтрино вловити надзвичайно важко і до сьогодні не було навіть жодних спроб це зробити. І це – теж потенційна Нобелівка.

     

    Нейтрино як темна матерія

     

    Крім цього, варто також сказати, що гіпотетичні стерильні нейтрино підходять як кандидати на роль таємничої темної матерії. Щоправда, потрібно, щоб такі частинки були значно важчими, ніж відомі нейтрино. Теорія суперсиметрій робить це можливим, тобто природно пояснює існування значно важчих нейтрино, що ще слабше взаємодіють з іншою матерією. Вчені не втрачають надії, що такі частинки могли б себе проявити на космічних масштабах, наприклад, розпадаючись на фотони та інші частинки. Це мотивує пошук відповідного сигналу в рентґенівських спектрах центрів галактик, де їх як темної матерії мало б бути найбільше. І хоча деякі слабкі натяки на присутність таких нейтрино є, поки що немає змоги однозначно заявити про них як про відкриття. Але якщо стерильні нейтрино вдасться відкрити, це також Нобелівка.  

    Найвідоміші експерименти

     

    Нарешті, оглянемо деякі найважливіші експерименти останніх років у сфері нейтринної фізики. Можна з упевненістю сказати, що це другий за значущістю напрям фізики частинок після прискорювальної фізикиПрискорювальна фізика – галузь в фізиці високих енергій, фізика про перетворення частинок, що стикаються на високих швидкостях., і, можливо, він стане першим в найближчому майбутньому. За останні два десятиліття були втілені або й досі тривають понад 30 великих експериментів і на підході ще з добрий десяток. Глянемо на найцікавіші з них.

     

    Kamiokande / Superkamiokande.1 Це один з найбільших, найдовший і, мабуть, найвідоміший нейтринний експеримент-обсерваторія. З 1996 року 50 000 тон надчистої води на глибині в один кілометр в резервуварі, напакованому фотопомножувачами (близько 2000), в шахті в місті Хіда в Японії допомагають детектувати атмосферні, реакторні, прискорювальні, космічні і звичайно ж сонячні нейтрино. Вимірюється їхній спектр, сила взаємодії і, що найважливіше, параметри осциляції, та сама матриця ПМНСЙдеться про матрицю  Понтекорво — Макі — Накагави — Сакати. Про неї ми розповідали у попередній статті.. Саме цей детектор поставив остаточну крапку в запитанні про те, чи притаманні осциляції нейтрино загалом. Недавно стало відомо, що попереду ще Гіперкаміоканде – продовження і розширення цього експерименту.

     

    IceCube.2 Це офіційно найбільший детектор частинок у світі. IceCube – нейтринна обсерваторія, побудована на антарктичній станції Скотт-Амундсен. На глибині від 1450 до 2450 метрів поміщені міцні «нитки» з прикріпленими оптичними детекторами (фотопомножувачами). Оптична система реєструє черенковське випромінювання мюонів, що рухаються вгору (тобто з-під землі). Ці високоенергетичні мюони можуть народжуватися лише при взаємодії з мюонними нейтрино, що пройшли крізь Землю, з електронами і нуклонамиНуклони – частинки з яких складаються ядра атомів, тобто протони і нейтрони. льоду (і шару ґрунту під льодом, товщиною близько кілометра). Назва детектора пов’язана з тим, що об’єм льоду, який використовується в ньому, досягає одного кубічного кілометра.

     

    BOREXINO.3 Це європейський нейтринний детектор, націлений саме на сонячні нейтрино. Він схожий на Каміоканде: це суперзахищена ємність із сцинтилятором і багатьма фотодетекторами, що розташована в Італії. Цей експеримент має змогу міряти найбільш низькоенергетичні сонячні нейтрино, і він зробив важливі очікувані відкриття частинок-продуктів термоядерних реакцій на Сонці. Українські вчені, до слова, теж входять до цієї колаборації.

    Дослідження в Україні та українцями

     

    В Україні нейтринна фізика була так чи інакше присутня в останні 50 років. Ось основні експерименти, що відбувалися в нашій країні:

    Реакторні нейтрино на Рівненській АЕС.4 Це були секретні дослідження в 1980-х роках, що мали на меті дослідити можливість реєстрації реакторних нейтрино з допомогою рідинного сцинтилятора компактної форми – настільки, щоб його можна було монтувати і на літаках. Випромінювання реакторних нейтрино, теоретично, дає змогу полювати за ворожими підводними човнами з атомними двигунами. Цікаво, що керував експериментом, який зрештою не досяг успіху і досить швидко був згорнутий, сам Бруно Понтекорво, з яким ми вже знайомі.

     

    Артемівський сцинтиляційний детектор був розташований в соляній шахті українського міста Соледар на глибині понад 100 м. Його створили працівники московського Інституту ядерних досліджень АН СРСР у 1980 році для вивчення антинейтринних потоків від колапсуючих зірок в Галактиці, а також космічних мюонів з енергіями до 1013 еВ. Особливістю детектора був 100-тонний сцинтиляційний бак, заповнений уайт-спірітом. 

     

    Пошук подвійного безнейтринного бета-розпаду в соляній шахті в Солотвино,5 яким займались вчені київського Інституту ядерних досліджень НАНУ (ІЯД НАНУ). Природа подарувала їм чудові умови: шахта глибиною понад 400 метрів, гірська порода з низькою природною радіоактивністю. Інститут кристалів у Харкові виростив для цих дослідів надчисті кристали кадмію, що служили сцинтилятором. Роботу цієї лабораторії, напевне, можна назвати найближчою до світових топ-аналогів в фізиці частинок та ядерній фізиці, що проводились в незалежній Україні. Та, на превеликий жаль, у 2010 році шахту аварійно затопили підземні води внаслідок зупинки помп, що її відкачували. 

     

    Сьогодні масштабних експериментів, що могли б змагатись зі світовими за точністю, Україна не проводить. Однак залишились інститути, що працюють в цій галузі, вкладаючи те, що в них ще залишилось – людський ресурс. Так, сьогодні працівники ІЯД НАНУ беруть участь в експерименті CUPID-Mo, що проводиться глибоко під землею (2 км) в тунелі між Італією та Францією для захисту від космічних променів. CUPID-Mo – це один з найчутливіших експериментів сучасності з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду. Міжнародна колаборація вчених з 27 інститутів та університетів уважно слідкує за охолодженими (до кількох сотих Кельвіна) кристалами молібдату літію, збагаченими ізотопом молібдену-100, очікуючи побачити безнейтринний розпад цього ізотопу. В 2020 році закінчився один із етапів цього експерименту, що не показав наявності таких розпадів6, але планується масштабування експерименту з метою збільшення його чутливості. 

     

    Крім того, вчені з Інституту теоретичної фізики імені Боголюбова вже не перше десятиліття роблять теоретичні дослідження, що стосуються стерильних нейтрино як темної матерії, та беруть участь в аналізі даних з космічних телескопів, які могли б свідчити про їхню присутність у Всесвіті7

    Коли ми взялись за завдання розказати читачам про нейтрино, майже одразу було зрозуміло, що втиснутись в обмеження однієї статті не вдасться. Нейтринна фізика – це одночасно і передній край фундаментальної науки, і галузь астрофізики, і високий потенціал практичних розробок. До прикладу, геологічна розвідка покладів урану, контроль у сфері ядерної безпеки та нерозповсюдження8. Серед 10 найбільших наукових відкриттів 2020 року журнал Nature9 помістив результат одного з нейтринних експериментів. А в листопаді з’явилось повідомлення про важливе відкриття, пов’язане з сонячними нейтрино: вже згаданий детектор BOREXINO вперше виявив ті частинки, які утворюються при розпаді ізотопів азоту та кисню10 – найважчих елементів в ланцюжку термоядерних реакцій в ядрі Сонця. Тільки уявіть! Стало можливим спостереження за реакціями в середовищі з екстремальними сотнями мільйонів градусів Кельвіна та мільярдами атмосфер тиску! Без сумніву, нейтрино дасть доступ до ще не одного такого схованого від будь-яких інших спостережень явища. 

     

    Ви могли помітити, що в цій статті ми нарахували щонайменше три потенційні Нобелівки на додачу до вже чотирьох присуджених за роботу з цією частинкою. Чи не робить це її найцікавішою і найперспективнішою з тих, про які ви чули? Отже, пригода, що почалась зі слів «Liebe radioaktive damen und herren»11 (з нім./укр. «Дорогі радіоактивні пані й панове») автора гіпотези про нейтрино Вольфганґа Паулі, в листі до своїх колег, де він вперше і згадав цю частинку – далека від закінчення!

    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?