26 октября 2020, понедельник, 04:46
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

04 августа 2017, 12:59

Охотники за нейтрино

Одним из источников нейтрино являются сверхновые
Одним из источников нейтрино являются сверхновые

Потоки нейтрино пронизывают нас непрерывно, но эти частицы столь слабо взаимодействуют с остальной материей, что, чтобы их обнаружить, ученым приходится строить огромные сооружения. Например, нейтринная обсерватория «Ледяной куб» вблизи южного полюса представляет собой кубический километр льда с пятью тысячами детекторов, а мишень галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии весит 60 тонн. Теперь же международный коллектив ученых сумел создать нейтринные детекторы небольшого размера, весящие всего около 15 килограммов, и наблюдать с их помощью столкновения нейтрино с ядрами атомов цезия.

Уже много лет ученым известно о существовании трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино. Различие между ними проявляется в тех редких случаях, когда нейтрино вступает во взаимодействие с ядрами атомов. Например, когда мюонное нейтрино сталкивается с нейтроном в атомном ядре, оно превращает его в протон, а само становится мюоном. При столкновениях с ядрами электронных и тау-нейтрино рождаются соответственно электроны и тау-лептоны. Именно эти три типа возникающих частиц и регистрируются датчиками и выдают присутствие нейтрино.

В 1974 году физик-теоретик Даниэль Фридман (Daniel Z. Freedman), ныне почетный профессор Массачусетского технологического института, обосновал существование еще одного типа взаимодействия нейтрино с атомными ядрами, который он назвал когерентным упругим рассеянием. Фридман предположил, что, как и любая квантовая частица, нейтрино действует как волна, длина которой уменьшается по мере увеличения энергии частицы. Нейтрино высокой энергии будет взаимодействовать с одним протоном или нейтроном в атомном ядре. Низкоэнергетическое нейтрино сможет взаимодействовать со всеми протонами и нейтронами согласованно (когерентно). В данном случае нейтрино взаимодействует с протонами и нейтронами ядра, обмениваясь с ними Z-бозонами, и в результате оно, не превращаясь ни во что, отскакивает от ядра, а самое ядро получает импульс. Вероятность такого отскока нейтрино от атомного ядра, увеличивается пропорционально квадрату числа протонов и нейтронов в ядре.

Убежденный в своей правоте Фридман тем не менее не верил, что предсказанное ими взаимодействие нейтрино с ядрами можно будет обнаружить на практике. Слишком редкое это событие и слишком слабый импульс получает от низкоэнергетического нейтрино атомное ядро, чтобы такой импульс можно было отличить от случайных колебаний. «Это похоже на удар по шару для боулинга мячиком для пинг-понга, – говорит физик Кейт Шольберг (Kate Scholberg) из Университета Дьюка, одна из авторов нынешнего исследования. – Вы легко можете попасть по шару для боулинга, но он не будет очень быстро катиться».

Своим скептицизмом Фридман напоминает Вольфганга Паули, предположившего в 1930 году существование нейтрино из теоретических соображений и не верившего, что его гипотезу удастся подтвердить экспериментально. Скептицизм Паули рассеялся спустя 25 лет, когда в 1955 году Клайд Коуэн и Фредерик Райнес с коллегами смогли детектировать нейтрино. Фридман получил практические доказательства правильности своей теории через 43 года после ее создания.

Детектор на основе упругого рассеяния нейтрино был создан физиками из России (Институт теоретической и экспериментальной физики, МИФИ, МФТИ), США, Канады и Южной Кореи. Всего в коллаборацию COHERENT, осуществившую этот эксперимент, входит более восьмидесяти ученых. Они не стали стараться максимально увеличить размеры детектора, а напротив уменьшили его, использовав для мишени не тяжелые металлы, а цезий, колебания ядер которого легче наблюдать. В результате они сконструировали детектор из йодида цезия легированного натрием (CsI[Na]) весом всего 14,6 килограмма.

Фото: Juan Collar

Вторым условием успеха стало использование источника нейтрино с повышенной интенсивностью потока. В этом качестве выступил Spallation Neutron Source в Национальной лаборатории Оук-Ридж министерства энергетики США. Несколько десятков детекторов поместили рядом с источником нейтронов под защитой изоляционного слоя из бетона, который не пропускал к ним порождаемые реактором нейтроны, зато нейтрино – побочный продукт работы реактора – проникали через эту защиту без препятствий. Энергия этих нейтрино была достаточно низкой для упругого рассеяния на ядрах атомов, но достаточно высокой, чтобы импульсы, которые они сообщают ядрам, можно был зафиксировать.

В длившемся 461 день эксперименте ученые наблюдали 134 рассеяния, что хорошо согласуется с предсказаниями теории. Об итогах своей работы коллектив сообщил в статье, опубликованной журналом Science.

Возможно, в ближайшем будущем будут сконструированы портативные детекторы нейтрино, реагирующие на упругое рассеяние. Они найдут применение в контроле за безопасной работой атомных реакторов. По потоку рождающихся в реакторе нейтрино можно судить о процессах, которые происходят внутри него, и даже определять, используется ли данный реактор для производства оружейного плутония.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.