Астрономы предлагают сделать из Тихого океана нейтринный телескоп

Нейтрино — одна из самых неуловимых частиц в космосе, уступающая только сверхзагадочной темной материи. Они производятся в большом количестве — они участвуют в слабом ядерном взаимодействии и отвечают за ядерный синтез и распад. Так что каждый раз, когда происходит что-то ядерное, участвуют нейтрино.

Например, солнечное ядро ​​представляет собой гигантскую реакцию ядерного синтеза, поэтому, естественно, оно производит довольно много нейтрино. Согласно прошлым исследованиям, если вы поднесете большой палец к Солнцу, примерно 60 миллиардов нейтрино будут проходить через ноготь большого пальца каждую секунду.

Но нейтрино так редко взаимодействуют с материей, что, несмотря на то, что триллионы и триллионы их проходят через ваше тело каждую секунду, за всю вашу жизнь общее количество нейтрино, которые действительно поразят ваше тело, составляет около… одного.

Нейтрино настолько призрачны, что на протяжении десятилетий физики предполагали, что эти частицы совершенно не имеют массы и путешествуют по Вселенной со скоростью света. Но после того, как начали накапливаться горы доказательств, ученые обнаружили, что нейтрино действительно имеют крошечную массу.

Точное количество массы является предметом активных научных исследований. Существует три вида нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Каждый из этих "ароматов" участвует в разных видах ядерных реакций, и, к сожалению, все три типа нейтрино обладают странной способностью менять одну идентичность на другую по мере своего путешествия. Таким образом, даже если вам удастся увидеть нейтрино и определить его тип, вы будете знать лишь часть того, что хотели бы знать.

Масса нейтрино не имеет объяснения в Стандартной модели физики элементарных частиц, нашей современной и лучшей теории фундаментальных взаимодействий. Таким образом, физики хотели бы сделать две вещи: измерить массы трех разновидностей нейтрино и понять, откуда берутся эти массы. Это означает, что им предстоит провести множество экспериментов.

Большинство детекторов нейтрино довольно просты: вы либо настраиваете устройство для генерации невероятного количества жучков в лаборатории, либо строите гигантский массив для захвата некоторых из них, происходящих с Земли.

Эти эксперименты добились большого прогресса и становились все масштабнее с каждым поколением. Эксперимент Камиоканде в Японии, например, позволил обнаружить нейтрино, испускаемые сверхновой 1987A. Но для этого им понадобился чан с более чем 50 000 тонн воды.

В последние годы нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде повысила планку. Эта обсерватория состоит из твердого кубического километра льда на Южном полюсе с десятками нитей приемников размером с Эйфелеву башню, погруженных на километр в поверхность. После десяти лет работы IceCube обнаружил одни из самых энергичных нейтрино за всю историю и сделал предварительные шаги к выяснению их происхождения. (Подсказка: речь идет о действительно высокоэнергетических процессах во Вселенной, таких как блазары.)

Почему и Камиоканде, и IceCube используют так много воды? Детектором нейтрино может служить большой кусок практически чего угодно, но идеально подходит чистая вода. Когда один из триллионов пролетающих нейтрино сталкивается со случайной молекулой воды, она испускает короткую вспышку света. Обсерватории содержат сотни фоторецепторов, а чистота воды позволяет этим детекторам очень точно определять направление, угол и интенсивность вспышки. (Если бы в воде были примеси, то было бы трудно реконструировать, откуда исходила вспышка внутри объема.)

Оттуда они могут восстановить исходное направление входящего нейтрино и получить представление об его энергии.

Это все хорошо для обычных, повседневных нейтрино. Но самые энергичные нейтрино необычайно редки. Однако эти чрезвычайно редкие нейтрино также являются самыми захватывающими и интересными, потому что они могут быть вызваны только самыми гигантскими событиями во Вселенной.

К сожалению, вся мощь IceCube после десятилетнего наблюдения смогла зафиксировать лишь горстку этих сверхмощных нейтрино.

Так что нам понадобится детектор побольше.

Это идея Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE), нового предложения, описанного в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv в ноябре: превратить огромную полосу Тихого океана в собственный нейтринный детектор.

И снова концепция удивительно проста: найти подходящую, уединенную часть Тихого океана. Очень легко. Сконструируйте длинные нити фотодетекторов — не меньше километра. Опустите эти нити на дно океана, желательно на глубину более 2 км. Прикрепите к ним поплавки, чтобы они стояли в воде вертикально, как гигантские механические водоросли.

В настоящее время конструкция P-ONE включает в себя семь 10-струнных кластеров, каждая из которых содержит 20 оптических элементов. Это в общей сложности 1400 фотодетекторов, плавающих в Тихом океане на несколько километров в поперечнике, обеспечивая гораздо большее покрытие, чем IceCube.

Как только он заработает, вам просто нужно подождать. Даже нейтрино попадут в океанскую воду и произведут небольшую вспышку, и детекторы ее отследят.

Конечно, это сложнее, чем кажется. Нити будут постоянно двигаться, колеблясь вместе с самим океаном. А Тихий океан… далеко не чистый, с солью, планктоном и всевозможными рыбьими экскрементами, плавающими вокруг. Это изменит поведение света между нитями, что затруднит точное измерение.

Это означает, что эксперимент потребует постоянной калибровки для корректировки всех этих переменных и надежного отслеживания нейтрино. Однако команда P-ONE занимается этим вопросом и уже планирует создать меньшую демо-версию из двух потоков в качестве доказательства концепции.

И тогда мы можем отправиться на охоту за нейтрино.