Расположенный в Китае, Juno — это совместный проект 17 стран, который попытается обнаружить нейтрино и антинейтрино, чтобы больше узнать об их массе.
Сфера «Юноны» (внизу слева) и фотоумножители (вверху справа) для регистрации нейтрино. Фотография: сотрудничество с «Юноной».Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Расположенная на глубине 700 метров под землей, недалеко от города Цзянмэнь на юге Китая, гигантская сфера диаметром 35 метров, наполненная более чем 20 000 тонн жидкости, только что начала миссию, которая продлится десятилетия. Это «Юнона», подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь, новый масштабный эксперимент по изучению одних из самых загадочных и неуловимых частиц, известных науке.
Нейтрино — самые распространённые частицы во Вселенной, обладающие массой. Они являются фундаментальными частицами, то есть не распадаются на более мелкие составляющие, что делает их очень маленькими и лёгкими. Они также не имеют электрического заряда; они нейтральны — отсюда и их название. Всё это означает, что они очень часто не взаимодействуют с другой материей, с которой контактируют, и могут проходить сквозь неё, не оказывая на неё никакого влияния, что затрудняет их наблюдение. Именно поэтому их иногда называют «частицами-призраками».
Они также обладают способностью переключаться (или «колебаться») между тремя различными формами, также известными как «ароматы»: электроном, мю и тау. (Обратите внимание, что нейтрино с электронным ароматом отличаются от электронов; последние представляют собой другой тип фундаментальных частиц с отрицательным зарядом.)
Факт осцилляций нейтрино был доказан физиками Такааки Кадзитой и Артуром Брюсом Макдональдом. В двух отдельных экспериментах они наблюдали, как нейтрино с электронным ароматом осциллируют, превращаясь в нейтрино с мю- и тау-ароматами. В результате они продемонстрировали, что эти частицы имеют массу, причём масса каждого аромата различна. За это они получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году.
Объяснение нейтринных осцилляций от Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми.
Но важный, но пока неизвестный факт заключается в том, как упорядочены эти массы — какой из трёх видов нейтрино имеет наибольшую массу, а какой — наименьшую. Если бы физики лучше понимали массу нейтрино, это могло бы помочь лучше описать поведение и эволюцию Вселенной. Именно здесь вступает в дело «Юнона».
Уникальный эксперимент
Нейтрино невозможно обнаружить с помощью обычных детекторов частиц. Вместо этого учёным приходится искать редкие признаки их взаимодействия с другой материей — именно для этого и предназначена гигантская сфера «Юноны». Сцинтиллятор, называемый сцинтиллятором, заполнен чувствительной внутренней жидкостью, состоящей из растворителя и двух флуоресцентных соединений. Если нейтрино, проходящий через эту материю, взаимодействует с ней, возникает вспышка света. Жидкость окружена массивной решёткой из нержавеющей стали, на которой расположено множество высокочувствительных фотоэлектронных датчиков, называемых фотоумножителями, способных регистрировать даже один фотон, произведённый при взаимодействии нейтрино с жидкостью, и преобразовывать его в измеряемый электрический сигнал.
«Эксперимент «Юнона» продолжает наследие своих предшественников, с той разницей, что он гораздо крупнее», — говорит Джоаккино Рануччи, заместитель руководителя эксперимента и бывший руководитель «Борексино», другого эксперимента по поиску нейтрино. Рануччи объясняет, что одна из главных особенностей «Юноны» заключается в том, что она может «видеть» как нейтрино, так и их антиматерийные аналоги: антинейтрино. Первые обычно образуются в атмосфере Земли, при распаде радиоактивных материалов в земной коре или прилетают из космоса — от звёзд, чёрных дыр, сверхновых или даже от Большого взрыва. Антинейтрино же производятся искусственно, в данном случае двумя атомными электростанциями, расположенными рядом с детектором.
«Распространяясь, нейтрино и антинейтрино продолжают колебаться, превращаясь друг в друга», — говорит Рануччи. Он объясняет, что «Юнона» сможет зафиксировать все эти сигналы, показав, как они колеблются, «с невиданной ранее точностью».
Основная цель проекта «Юнона» — найти решение проблемы упорядочения масс нейтрино. Известно, что нейтрино с электронным ароматом весит меньше, чем нейтрино с мю-ароматом, но пока не ясно, весит ли третий аромат нейтрино, тау, больше двух других (в этом случае мы будем говорить о прямой иерархии) или нет (в этом случае — об обратной иерархии). Измеряя с очень высоким разрешением энергетический спектр антинейтрино от реакторов, проект «Юнона» стремится показать, является ли иерархия нормальной или обратной. Коллаборация ожидает, что примерно через шесть лет сбора данных будет получено нечто, приближающееся к статистически значимому ответу на этот вопрос.
Нейтринный сигнал, обнаруженный зондом «Юнона» 24 августа. Изображение: сотрудничество с Juno.Но это ещё не всё, что ждёт эксперимент. На более позднем этапе он может помочь раскрыть ещё более глубокую загадку, связанную с так называемым майорановским нейтрино — теоретически предполагаемой частицей, которая никогда не наблюдалась. (Майорановские частицы — это частицы, которые одновременно являются и своими собственными античастицами; таким образом, майорановское нейтрино — это и нейтрино, и своё антинейтрино.) Понимание того, являются ли нейтрино майорановскими частицами, возможно, означало бы разрешение одного из самых сложных вопросов современной физики: почему во Вселенной наблюдается больше материи, чем антиматерии, — вопроса, которому до сих пор не существует полного, связного и окончательного объяснения.
Источник: www.wired.com
