Новая ветвь астрономии: в; поисках нейтрино высоких энергий

Новая ветвь астрономии: в поисках нейтрино высоких энергий

Байкальский подводный нейтринный телескоп. Фото Б. Шайбонова (ОИЯИ)

13 марта 2021 года средства массовой информации обошла молния: на Байкале запущена мегаустановка — Байкальский нейтринный телескоп. Но что же произошло на самом деле? В реальности телескоп уже давно работает, при этом постепенно растет. Добавления происходят зимой, когда на Байкале крепкий лед, с которого удобней погружать оборудование.

В этом году погрузили очередную «порцию телескопа» (прошлой зимой установили больше), зато приехал министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков. К его приезду подготовили «большую кнопку» и предложили нажать, что министр и сделал. Он и директор ОИЯИ (Дубна) Григорий Трубников произнесли по короткой речи — вот и всё событие. Тем не менее оно было, несомненно, полезным в смысле пиара — многие люди впервые узнали, что существует такой телескоп, и еще раз услышали про нейтрино.

Общие сведения

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:

• Электронное нейтрино. Первое открытое нейтрино, а потому относится к первому поколению лептонов. Оно рождается в процессе бета-распада и высвобождает остаточную энергию, «не взятую» электронном, по этой причине и получило свое название.
• Мюонное нейтрино – второй тип, описанный в 1940-х годах, и экспериментально обнаруженный в 1962-м году. Зачастую оно излучается в реакциях с участием космических лучей и при распаде π-мезонов с высокими энергиями.
• Тау-нейтрино – соответствует тау-лептону, открытому в 1975-м году, и вместе с ним является лептоном третьего поколения. Экспериментально обнаружена в 2000-м году и стала предпоследней частицей, предсказанной Стандартной моделью.

Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 10 18 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.

История мироздания

А к чему вообще заниматься сложным и дорогостоящим отловом реликтовых нейтрино? Дело в том, что эти частицы некогда сыграли поистине гигантскую роль в формировании материального состава нашего мира. Если бы они не расстыковались со своими более массивными партнерами именно тогда, когда они это сделали, эволюция Вселенной пошла бы совершенно иначе. На чем основан такой прогноз? К тому времени, когда возраст Вселенной перешел за отметку в 10 микросекунд, в ней не осталось свободных кварков, которые слились в частицы семейства барионов — протоны и нейтроны (кварки объединялись также в очень нестабильные мезоны, но те быстро распались и, так сказать, исчезли из обращения). Помимо протонов и нейтронов, в тогдашней Вселенной в изобилии имелись электроны и позитроны (последних было чуть меньше, и поэтому к концу десятой секунды они полностью исчезли вследствие аннигиляции), а также фотоны и нейтрино, число которых почти в миллиард раз превышало число барионов. Пока материя оставалась достаточно плотной и горячей, нейтрино интенсивно взаимодействовали с протонами и нейтронами и заставляли их превращаться друг в друга (аналогичные процессы характерны для бета-распада атомных ядер). Но Вселенная расширялась и в результате этого остыла настолько, что нейтрино прекратили рассеиваться на барионах и ушли в свободный полет. Случилось это вскоре после того, как ее возраст достиг одной секунды. С этого момента космическое пространство стало прозрачным для нейтрино и остается таким до сих пор.

Распаривание нейтрино и барионов оставило после себя неодинаковые количества протонов и нейтронов. Поскольку нейтрон несколько тяжелее протона, для превращения в протон ему требовалась энергетическая подпитка со стороны нейтрино. До тех пор, пока плотность и температура материи не стали ниже определенной границы, нейтринная среда поддерживала плотность протонов и нейтронов практически на одном и том же уровне. Однако к моменту, когда нейтрино перестали рассеиваться на барионах, энергетически выгодный процесс перехода нейтронов в протоны сильно обогнал обратный процесс рождения нейтронов из протонов. После того как нейтрино вышли из игры, соотношение протонов и нейтронов оказалось равным 6:1. Благодаря этому во Вселенной вскоре начался синтез гелия, и она приобрела химический состав, который сохраняется и до настоящего времени (правда, позднее звезды переработали около двух процентов водорода и гелия в более тяжелые элементы, но львиная доля их ядер все равно сохранилась).