Добро пожаловать на сайт Федерального министерства иностранных дел

"Аршином общим не измерить": гигантский спектрометр раскроет тайну массы нейтрино

09.07.2018 - Статья

В Карлсруэ международная команда ученых запустила в действие крупнейшие в мире весы. С помощью проекта Katrin исследователи намерены узнать массу нейтрино – одной из самых распространенных во Вселенной элементарных частиц, обладающей огромной проникающей способностью.

Вес гигантских весов для взвешивания нейтрино составляет 200 тонн
Вес гигантских "весов" для взвешивания нейтрино составляет 200 тонн© picture alliance / dpa

Найти ответ на этот вопрос исследователи во всем мире пытаются не одно десятилетие. Ведь знание этого ключевого параметра вездесущей частицы, оказывающей влияние на эволюцию космоса, станет фундаментальным для развития астрофизики. 

Чтобы пролить свет на одну из самых больших загадок в области физики элементарных частиц и космологии, в Технологическом институте Карлсруэ установили крупнейшие в мире весы. С помощью напоминающего термос гигантского вакуумного корпуса, в котором помещен чувствительный спектрометр электронов, двести исследователей из семи стран намерены  "взвесить" чрезвычайно подвижные и легкие элементарные частицы – нейтрино. Длина уникального агрегата – 23 метра, ширина – 10 метров, а вес гиганта для взвешивания сверхлегких элементов составляет 200 тонн.

С обычными весами массивное устройство имеет мало общего. В сущности, это гигантский электромагнитный спектрометр. "Для резервуара объемом 400 кубических метров потребовался сверхглубокий вакуум такого размера, который прежде нигде не использовался. Его сооружение явило собой сложнейшую инженерно-техническую задачу", – делится физик из Университета Майнца Кристиан Вайнхаймер (Christian Weinheimer).

Старт уникальному проекту в июне вместе с коллегами дали два нобелевских лауреата 2015 года – канадец Артур МакДональд (Arthur McDonald) и японец Такааки Кадзита (Takaaki Kajita), экспериментально доказавшие наличие массы у нейтрино. Ответ на вопрос о том, какова же эта масса, в ближайшие пять лет должен дать эксперимент под названием "Katrin" (Karlsruher Tritium Neutrino Experiment). "Нейтринные весы" официально запущены в эксплуатацию после пятнадцати лет строительных работ и длительной тестовой фазы. Расходы на изготовление уникального аппарата превысили 50 миллионов евро.

Старт проекту Катрин в июне вместе с коллегами дали два нобелевских лауреата – канадец Артур МакДональд и японец Такааки Кадзита, экспериментально доказавшие наличие массы у нейтрино
Старт проекту "Катрин" в июне вместе с коллегами дали два нобелевских лауреата – канадец Артур МакДональд и японец Такааки Кадзита, экспериментально доказавшие наличие массы у нейтрино© picture alliance / dpa

Однако исследователи уверены, что игра стоит свеч. Ведь после фотонов нейтрино – это самая распространенная частица во Вселенной. Этот проворный призрак, очень похожий на электрон, но не имеющий электрического заряда, оказывает заметное влияние на эволюцию космоса. Каждый миг от Солнца на квадратный сантиметр земной поверхности со скоростью света устремляется 60 миллиардов нейтрино, пронизывающих насквозь все на поверхности. А внутри тела человека при распаде изотопа калия ежесекундно рождается около 5 тысяч нейтрино. При этом из-за того, что нейтрино почти не вступают в контакт с материей, они не оставляют никаких следов. Поэтому ученые окрестили эти вездесущие элементарные частицы неуловимыми. "Среди известных нам элементарных частиц нейтрино – это абсолютные суперзвезды. Они заслуживают большого внимания для понимания современной картины мира, однако все еще находятся в тени", – утверждает  один из руководителей проекта "Katrin" Гуидо Дрекслин (Guido Drexlin).

Часть нейтрино возникла еще во время Большого взрыва, другие непрерывно рождаются в космосе и на Земле в результате самых разных процессов – от взрывов сверхновых и гибели крупных звезд до реакций на атомных электростанциях. Большинство достигающих Земли нейтрино образуются внутри Солнца вследствие термоядерных процессов. О массе же нейтрино на сегодня известно лишь то, что она очень мала, а иногда может быть даже нулевой. Ученые предполагают, что нейтрино может быть в 200 тысяч раз легче электрона. Между тем знания о весе нейтрино, от которого зависит и скорость их движения, имеют фундаментальное значение для современной физики частиц и астрофизики. Так, например, точный показатель массы самой распространенной частицы во Вселенной откроет новые горизонты в вопросе о роли нейтрино в возникновении галактик и галактических скоплений.

Аппарат для взвешивания нейтрино напоминает гигантский термос, в котором помещен чувствительный спектрометр электронов
Аппарат для взвешивания нейтрино напоминает гигантский термос, в котором помещен чувствительный спектрометр электронов© picture alliance / Eibner-Pressefoto

"Аппарат "Katrin" использует радиоактивный распад изотопа водорода под названием тритий, во время которого одновременно высвобождается один электрон и один нейтрино. И поскольку нейтрино очень сложно обнаружить, мы измеряем точную энергию электрона", – объясняет физик из Университета Майнца Кристиан Вайнхаймер (Christian Weinheimer). Тот факт, что суммарная энергия частиц остается неизменной, позволяет ученым рассчитать энергию нейтрино. Примечательно, что агрегат "Katrin" рассчитан на наблюдение ста миллиардов процессов распада трития в секунду.

"Особый интерес представляют те случаи, когда электрону достается вся энергия, а нейтрино не получает ничего. Тогда в нашем распоряжении оказывается нейтрино, обладающий исключительно своей массой", – говорит Гуидо Дрекслин. Знание количества изначально высвобожденной энергии позволяет рассчитать массу нейтрино, исходя из кинетической энергии электрона, – в соответствии со знаменитой формулой эквивалентности массы и энергии.

Обнаруживший три года назад осцилляции нейтрино Артур Макдональд поясняет, что измерения непосредственно этих колебаний (осцилляций) нейтрино позволяют обнаружить лишь разницу в массе частиц, тогда как с помощью весов "Katrin" можно определить абсолютный показатель.

Арина Попова