Работа Пеньи в лаборатории Формаджо Массачусетского технологического института может помочь исследователям точно определить массу неуловимой частицы и в процессе этого уточнить фундаментальные законы физики.
Выросший в южной части Центрального Лос-Анджелеса, Хуниор Пенья научился не высовываться и быть максимально загруженным. В его районе один взгляд мог спровоцировать неприятности, и многие дети, включая его старшего брата, попали в бандитскую среду. Он рано понял, что ему нужно что-то другое. Поскольку родители работали много часов подряд, он ходил на продлёнку, играл в видеоигры и занимался боевыми искусствами. Но его друзья и не подозревали, что он также часами просиживал в интернете, корпя над учебниками и смотря лекции, самостоятельно изучая высшую математику и философию. «Люди видели меня не таким, каким я был хорошим учеником», — говорит он.
Однажды вечером в старших классах он наткнулся на видео на YouTube о бозоне Хиггса — так называемой «частице Бога», которая, как считается, придаёт массу практически всему во Вселенной. «Я помню, как меня переполняли вопросы о жизни, Вселенной и нашем существовании», — вспоминает он. Он уже изучал ответы философов на эти вопросы, но его привлекли более конкретные объяснения физики.
После того, как самостоятельное обучение помогло Пенье сдать экзамен по исчислению на третьем курсе, его увлечение физикой привело его в Университет Южной Калифорнии, на летнюю исследовательскую сессию Массачусетского технологического института 2019 года, а затем в магистратуру Массачусетского технологического института. Сегодня он работает над изучением нейтрино — невидимых незаряженных частиц, которые легко проскальзывают сквозь вещество. Для их остановки потребовалась бы свинцовая стена толщиной в пять световых лет.
Будучи аспирантом в лаборатории Джозефа Формаджио, физика-экспериментатора, известного своими пионерскими методами обнаружения нейтрино, Пенья работает вместе с ведущими физиками, разрабатывая технологии для точного измерения, пожалуй, самых неуловимых частиц во Вселенной. Испускаемые такими источниками, как Солнце и сверхновые (и генерируемые искусственно ускорителями частиц и ядерными реакторами), нейтрино обнаруживают свое присутствие через отсутствие. Их существование было первоначально постулировано в 1930-х годах физиком Вольфгангом Паули, который заметил, что энергия как будто исчезает, когда атомы подвергаются процессу, известному как радиоактивный бета-распад. Согласно закону сохранения энергии, полная энергия частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, должна быть равна энергии распадающегося атома. Чтобы объяснить недостающую энергию, Паули предположил существование необнаружимой частицы, которая ее уносит.
Уравнение Эйнштейна E = mc² говорит нам, что если энергии нет, то должна быть и масса. Однако, согласно Стандартной модели физики, которая предлагает нашу самую надежную теорию поведения частиц, нейтрино не должны иметь массы вообще. В отличие от других частиц, они не взаимодействуют с полем Хиггса, своего рода космической патокой, которая замедляет частицы и придает им массу. Поскольку они проходят сквозь него без изменений, они должны оставаться безмассовыми.
Но к началу 2000-х годов исследователи обнаружили, что нейтрино, впервые обнаруженные в 1950-х годах, могут переходить из одного типа в другой, что возможно только при наличии у них массы. Поэтому теперь возникает вопрос: какова их масса?
Определение точной массы нейтрино может объяснить, почему материя одержала победу над антиматерией, уточнить модели космической эволюции и прояснить роль частиц в темной материи и темной энергии. Лаборатория Формаджо является частью Проекта 8 – международного проекта, объединяющего 71 учёного из 17 институтов, работающих над проведением этих измерений. Для этого лаборатория использует тритий, нестабильный изотоп водорода, который распадается на гелий, высвобождая как электрон, так и частицу, называемую антинейтрино («у каждой частицы есть античастица», – объясняет Формаджо). Точно измеряя энергетический спектр этих электронов, учёные могут определить, сколько энергии недостаёт, что позволяет им определить массу нейтрино.
В основе этого эксперимента лежит новый метод детектирования, называемый циклотронной эмиссионной спектроскопией (CRES), впервые предложенный в 2008 году Формаджио и его тогдашним постдоком Бенджамином Монреалем. Этот метод «слушает» слабые радиосигналы, испускаемые электронами, вращающимися по спирали в магнитном поле. Пенья сыграл ключевую роль в разработке важнейшей части прибора, которая сделает это возможным: медной полости, которую он сравнивает с гитарой, где электроны, высвобождаемые при бета-распаде, действуют подобно защипнутым струнам. Полость будет усиливать их сигналы, помогая исследователям точно их измерять. Пенья потратил больше года на разработку и совершенствование прототипа устройства размером с фонарик в сотрудничестве с механиками и коллегами-физиками.
«Ему пришлось изучить программное обеспечение [для проектирования и моделирования], разобраться, как интерпретировать сигналы, и проводить испытания итерацию за итерацией», — говорит Формаджо, консультант Пеньи. «Было невероятно наблюдать, как он превращает грубую идею в работающий проект».
Конструкция резонатора Пенья должна была сбалансировать противоречивые требования. Требовался способ извлечения электронных сигналов, совместимый с методами калибровки системы, используемыми исследователями, один из которых предполагает использование электронной пушки для инжекции электронов с известной и точной энергией в резонатор. Кроме того, необходимо было сохранить свойства электромагнитных полей внутри резонатора. В мае Пенья отправил свой окончательный прототип в Вашингтонский университет, где он был установлен в июле. Исследователи надеются начать калибровку этой осенью. Затем резонатор Пенья и вся экспериментальная установка будут масштабированы, чтобы через несколько лет начать сбор данных CRES с использованием трития.
«Мы работали над этим как минимум три года», — говорит Джереми Гейсон, физик проекта 8 в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. «Когда мы наконец начнём эксперимент, будет невероятно увидеть, подтвердятся ли все наши симуляции и исследования реальными данными».
Вклад Пеньи в это начинание «является сутью этого эксперимента», — говорит Воутер Ван де Понтселе, ещё один участник Проекта 8 и бывший постдок лаборатории Формаджио. «Джуниор взял идею и воплотил её в реальность».
Проект 8 всё ещё находится на ранней стадии. На следующем этапе будут разработаны более крупные и сложные версии технологии, в разработке которой Пенья сыграл ключевую роль, что приведёт к созданию огромной установки для определения массы нейтрино. В случае успеха результаты могут иметь огромное значение для нашего понимания структуры Вселенной, эволюции галактик и даже фундаментальной природы самой материи.
Стремясь продолжать исследовать эти открытые вопросы фундаментальной физики, Пенья всё ещё изучает варианты своей постдокторской работы. Одна из возможностей — сосредоточиться на развивающейся области левитирующих наносенсоров, которые могли бы продвинуть эксперименты по гравитации, усилия по обнаружению тёмной материи и поиску стерильных нейтрино — предполагаемого четвёртого вида нейтрино, взаимодействующего ещё реже остальных.
«Экспериментальная физика элементарных частиц — это долгосрочная работа», — говорит Ван де Понтселе. «Некоторые из нас останутся в этом проекте на десятилетия, но Джуниор может уйти, зная, что он внёс неизгладимый вклад».
Пенья также надеется, что его преподавательская деятельность будет иметь долгосрочное значение, открывая двери для студентов, которые, как и он, никогда не видели себя в академических стенах. «Меня сюда привела летняя программа», — говорит он. «Я должен показать следующему ученику, что он здесь».
Источник: www.technologyreview.com
