Между атомом и звездой: физики создали ловушку для древнейших частиц

В недрах гранитного холма на юге Китая близится к завершению строительство грандиозного детектора, предназначенного для поиска загадочных частиц-призраков - нейтрино. JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) станет одним из трех подобных сооружений в мире, наряду со строящимися установками в США и Японии.

Конструкция стоимостью 300 миллионов долларов, расположенная на глубине 700 метров под землей, создавалась на протяжении девяти лет. Такая внушительная глубина выбрана неслучайно - она защищает чувствительное оборудование от космических лучей и радиации, способных исказить результаты экспериментов.

Каждую секунду триллионы нейтрино проходят сквозь наши тела. Они испускаются звездами, включая Солнце, а также возникают при столкновениях атомов в ускорителях. Несмотря на то, что ученые знают о существовании нейтрино почти столетие, они до сих пор остаются самыми малоизученными объектами в мире физики.

Дело в том, что они редко взаимодействуют с другой материей. Именно поэтому для подобных исследований требуются детекторы колоссальной мощности и точности.

Физик-теоретик из Северо-Западного университета Андре де Гувеа, не участвующий в проекте, отмечает, что размер детектора напрямую связан с вероятностью обнаружения нейтрино - чем больше установка, тем выше шансы зафиксировать крошечные объекты.

Рабочие уже приступили к финальному этапу строительства. Сферический аппарат будет заполнен специальной жидкостью, которая излучает свет при прохождении через нее нейтрино. Вся конструкция будет погружена в очищенную воду. Для доступа к подземной лаборатории используется специальный поезд, доставляющий исследователей и посетителей на нужную глубину.

Основная задача этой обсерватории - изучение антинейтрино (частиц, противоположных нейтрино). Их источником послужат два ядерных реактора, расположенных на расстоянии более 50 километров от детектора. При контакте антинейтрино с частицами внутри прибора будут возникать световые вспышки, интенсивность которых о многом может рассказать.

Новая аппаратура позволит исследовать одно из самых загадочных свойств нейтрино - их способность переходить между тремя различными типами (электронным, мюонным и тау) при движении в пространстве. Этот процесс в физике называется осцилляцией. Команда хочет определить массу каждого состояния и выстроить иерархию от самого легкого до самого тяжелого.

Конечно, главная сложность в том, что масса нейтрино невообразимо мала, а их способность менять свой тип в процессе движения требует исключительно точных измерений. Именно поэтому детектор должен быть надежно защищен от любых внешних помех.

Запуск аппарата запланирован на вторую половину следующего года. После этого потребуется время для сбора и анализа данных, прежде чем ученые смогут поделиться своими первыми открытиями с миром.

Параллельно с китайским проектом ведется строительство двух других крупных детекторов. Японский детектор Hyper-Kamiokande и американский Deep Underground Neutrino Experiment планируется ввести в эксплуатацию около 2027 и 2031 годов соответственно. Они будут проверять результаты китайского детектора с помощью других подходов.

Изучение нейтрино позволит нам понять, как формировалась Вселенная. Эти частицы существуют с момента Большого взрыва и могут пролить свет на эволюцию и расширение космоса, происходившие миллиарды лет назад.

Один из главных вопросов, которые сейчас волнуют великие умы, - почему Вселенная состоит преимущественно из материи, в то время как антиматерия практически отсутствует. Ученые предполагают, что именно нейтрино могли сыграть ключевую роль в установлении первичных законов мироустройства и физики.