Глубоко под землёй на юге Китая находится резервуар с жидкостью объёмом 20 000 тонн, который может регистрировать нейтрино. Первые результаты работы детектора JUNO весьма многообещающие.
Детектор JUNO снаружи (Изображение предоставлено коллаборацией JUNO)
Только что были опубликованы первые результаты работы крупнейшего в мире нейтринного детектора, которые позволяют провести наиболее точные на сегодняшний день измерения параметров нейтрино.
После двухмесячной работы детектора — подземной нейтринной обсерватории Цзянмэнь (JUNO) на юге Китая — исследователи смогли с беспрецедентной точностью измерить параметры различных типов, или «ароматов», нейтрино.
Полученные результаты позволяют уточнить значения двух ключевых параметров нейтрино: угла смешивания, описывающего, как различные массовые состояния нейтрино объединяются, образуя различные сорта нейтрино, и квадрата разности между этими массовыми состояниями.
«Перед запуском JUNO эти параметры были получены в результате долгой серии экспериментов… В числовых значениях этих двух параметров отражены полвека усилий», — Джоаккино Рануччи, заместитель пресс-секретаря JUNO, рассказал Live Science. «За 59 дней мы преодолели 50-летний рубеж измерений. Это даёт представление о том, насколько мощным является [JUNO]».
Первые результаты были опубликованы на сервере препринтов arXiv и отправлены на рецензирование в журнал Chinese Physics C.
Призрачная тайна нейтрино
Детектор JUNO содержит 20 000 тонн жидкости в центральной сфере. При столкновении с нейтрино жидкость излучает вспышку света, которую улавливает множество датчиков, окружающих сферу. (Изображение предоставлено коллаборацией JUNO)
Нейтрино — пожалуй, самые загадочные из известных частиц. Каждую секунду через ваше тело проходят триллионы нейтрино. Однако они очень редко взаимодействуют с вами или любой другой материей и почти ничего не весят, за что их прозвали «частицами-призраками». Из-за этого нейтрино — одна из самых сложных для изучения частиц, так как большинство из них просто проходят через детектор, не оставляя следов.
Но физики стремятся узнать больше о нейтрино, потому что они могут разрушить Стандартную модель физики элементарных частиц, которая является нашим лучшим объяснением субатомного мира. Несмотря на то, что это невероятно успешная теория, она не является полной, и в ней не было предсказано наличие массы у нейтрино.
Открытие того, что частицы-призраки на самом деле обладают массой (за что была присуждена Нобелевская премия по физике 2015 года), связано с так называемыми осцилляциями нейтрино. Нейтрино бывают трёх видов (электронное, мюонное и тау-нейтрино), и они меняют свою идентичность по мере перемещения во времени и пространстве. Причина этого странного явления до конца не ясна, но, возможно, в нём кроется ключ к новым захватывающим открытиям в физике.
«Явление осцилляции означает, что нейтрино на данный момент являются единственной частицей, обладающей свойством, которое не предсказывает Стандартная модель, — сказал Рануччи. — Таким образом, нейтрино — это единственный портал в физику за пределами Стандартной модели».
Чтобы изучить свойства нейтрино и выйти за рамки Стандартной модели, учёные построили большие детекторы глубоко под землёй. Здесь земная кора служит естественным барьером для большинства других частиц, в то время как частицы-призраки проходят сквозь неё и могут быть обнаружены в детекторе.
Завершающая подготовка к запуску JUNO. Внутри белой сферы находится 20 000 тонн жидкости, которая при столкновении с нейтрино испускает вспышку света, улавливаемую датчиками, расположенными вокруг сферы. (Изображение предоставлено коллаборацией JUNO)
JUNO — самый новый и самый большой из этих детекторов нейтрино. Он представляет собой сферу диаметром 115 футов (35 метров), в которой находится 19 700 тонн (20 000 метрических тонн) жидкого сцинтиллятора. Эта жидкость специально разработана для взаимодействия с нейтрино и создания вспышки света. По краю резервуара расположены датчики, которые могут точно определить источник вспышки и предоставить полезную информацию о нейтрино, вызвавшем её.
Предыдущие детекторы нейтрино работали по тому же принципу, но JUNO намного больше. В нём в 20 раз больше жидкого сцинтиллятора, чем в любом предыдущем эксперименте, что делает JUNO значительно более чувствительным к нейтрино. По словам исследователей, это позволило физикам с беспрецедентной точностью измерить параметры, описывающие осцилляции между различными видами нейтрино.
В поисках новой физики
У команды JUNO большие планы на будущее, и эти первые результаты показывают, что они на верном пути к достижению этих целей. С увеличением количества времени и данных исследователи надеются добиться ещё большей точности в определении параметров этих колебаний.
За время своего существования JUNO, возможно, сможет разгадать давние загадки физики. Физики рассчитывают, что им удастся упорядочить массовые состояния нейтрино от самого тяжёлого до самого лёгкого и, возможно, даже найти объяснение тому, почему во Вселенной не так много антиматерии, как материи.
На данный момент эти призрачные частицы дают намёки на то, что физика выходит за рамки наших нынешних теорий. С появлением более крупных и совершенных детекторов нейтрино наше понимание Вселенной становится более чётким.