Как засечь частицу, для которой прозрачна любая материя? Объясняют физики

В теоретической физике есть частица, которую сложно найти и очень легко потерять — потому что она может пролететь через что угодно. Речь идет о нейтрино. Какое оборудование нужно, чтобы зарегистрировать эту частицу, как это делается и почему для этого нужны самые разные специалисты — объясняет Кирилл Михайлович Семенов-Тян-Шанский, доцент базовой кафедры «НИЦ Курчатовский институт — ПИЯФ».

Фото из личного архива Кирилла Михайловича Семенова-Тян-Шанского

Для справки

Существует несколько разных наборов частиц, подчиняющихся статистике Ферми, — фермионов, из которых состоит материя. В число таких фермионов входит и нейтрино. Свойства у частиц, которые относятся к фермионам, — очень разные. Например, кварки участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Электроны, мюоны и тау-лептоны имеют электрический заряд и участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях. А нейтрино — частица, которая электрически нейтральна. Она участвует только в слабом взаимодействии. 

Длина свободного пробега частицы в веществе — это среднее расстояние, которое пролетает частица за время между двумя последовательными столкновениями с атомами вещества. Чем больше длина свободного пробега, тем меньше вероятность взаимодействия частицы с веществом.

— Нейтрино может пролететь через ноутбук?

— Все зависит от сечения рассеяния этой частицы. Низкоэнергетические нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, поэтому вещество для них прозрачно. Вот такие нейтрино запросто могут пролететь через что угодно. Для них прозрачны и Земля, и звезды, и любая материя, которая нас окружает.

Если поинтересоваться, чему равна длина свободного пробега нейтрино с небольшой по меркам физики элементарных частиц энергией — скажем, два с половиной мегаэлектронвольта, то длина пробега в веществе с плотностью воды составит около 10 в 14 степени километров. Это очень много, десятки световых лет. Длина их свободного пробега больше, чем у любого другого вида частиц. То есть эта частица взаимодействует чрезвычайно слабо.

Но вместе с энергией растет и вероятность взаимодействия нейтрино с веществом. Высокоэнергетические нейтрино будут задерживаться — то есть им уже не так легко пролететь через что-то.

— Если нейтрино может летать через что угодно, как его засечь?

— С помощью нейтринных телескопов — обычно это очень большая установка. В среднем его объем составляет порядка кубического километра воды — как в случае Байкальского нейтринного телескопа. Ну или кубического километра льда, как в случае с телескопом IceCube на Южном полюсе. 

С помощью нейтринных телескопов можно зарегистрировать нейтрино внегалактического происхождения от внегалактических источников. Высокоэнергетические нейтрино могут вылетать из активных ядер галактик или образовываться при взрывах сверхновых. Особенно интересно, если то же самое астрофизическое явление удается зарегистрировать и в электромагнитном диапазоне. Таким образом, в нашем распоряжении оказывается новый инструмент для изучения Вселенной — многоканальная астрономия. 

Но есть и другие установки для регистрации нейтрино, они должны засекать «атмосферные» нейтрино. То есть те, которые рождаются от взаимодействия прилетающих из космоса элементарных частиц с атомами атмосферы Земли. 

Кратко опишу, как устроен крупный нейтринный телескоп. Высокоэнергетические нейтрино взаимодействуют с ядрами кислорода и водорода, составляющими молекулы воды, и рождают заряженные элементарные частицы — мюоны. Внутри телескопа в веществе эти мюоны двигаются со скоростью, превышающей скорость света в веществе. В этом случае возникает так называемое черенковское излучение с очень характерными свойствами. Это излучение (вспышки света)  можно регистрировать с помощью фотодетекторов — так ученые и засекают нейтрино.

Нейтринный телескоп чем-то похож на длинные гирлянды, которые свисают сверху вниз. И на этих гирляндах находятся шары с фотодетекторами и всякой сложной электроникой, которая нужна, чтобы правильно зарегистрировать сигнал.

— Выглядит так, будто таким образом можно засечь не только нейтрино, но и посторонние шумы. Есть способ это как-то преодолеть?

— Расскажу на примере IceCube. Хоть этот телескоп и находится на Южном полюсе, но он изучает небо над Северным. IceCube настроен так, что регистрирует те частицы, которые возникают от нейтрино, приходящих сквозь Землю с обратной стороны. Таким образом удается отфильтровать этот самый шум и выделить сигнал от настоящих нейтрино — ведь только они могут пройти сквозь землю и попасть в телескоп снизу. 

Если объяснять грубо, то сначала должны засветиться нижние фотодетекторы, а потом — верхние. Тогда можно сделать вывод, что зарегистрирован нейтрино. А вот если происходит наоборот — это какой-то фоновый шум.

— На нейтринных телескопах работают большие команды ученых. Зачем это нужно?

— Современный физический эксперимент — дело чрезвычайно сложное. Работать в одиночку, как во времена Ньютона, Фарадея или Герца, уже давно не получается. Помимо физиков, которые придумают эксперимент и объяснят его результаты,  нужна масса других специалистов — инженеров, техников, программистов и математиков, которые этот эксперимент подготовят. Современная экспериментальная коллаборация — это всегда несколько сотен или тысяч человек, которые работают вместе.

— Какие актуальные научные вопросы сейчас связаны с нейтрино?

—  Это вопросы про нейтринные осцилляции. Попробую максимально просто объяснить, что это такое.

Считается, что есть три поколения нейтрино — электронные, мюонные и тау-лептонные, хотя это деление и не вполне корректно. Оказалось, частицы одного сорта могут превращаться в частицы другого — но на какое-то небольшое время. Это все равно что по дороге ехал бы автобус, а потом бы что-то произошло — и он превратился в грузовик. Потом — и вовсе в легковой автомобиль. А дальше машина снова стала бы автобусом.

Еще когда я учился в университете, нам вполне уверенно говорили, что нейтрино — безмассовая частица. Но дело в том, что электронные, мюонные и тау-лептонные нейтрино оказались сильно смешанными между собой. Наблюдения за переходами нейтрино из одного типа в другой показали, что массой обладают не какие-то конкретные подвиды нейтрино, а некоторая их комбинация. Эта масса очень маленькая по сравнению с массами других частиц, входящих в Стандартную модель. Почему так получается — загадка. Но масса нейтрино отличается от нуля, и этот эффект можно зарегистрировать.

Вопросов вокруг масс разных поколений нейтрино больше, чем ответов. Во-первых, непонятно, почему эти массы такие маленькие. Во-вторых, мы даже не знаем, какая иерархия масс у этих нейтрино, какую принимать за наибольшую. Есть разные модели, и в зависимости от иерархии — разные теоретические предсказания.

— А бывали какие-нибудь научные ляпы, связанные с нейтрино?

— Есть известная история про то, как в 2012 году итальянская коллаборация OPERA якобы зарегистрировала нейтрино, распространяющееся со скоростью, которая выше скорости света в вакууме. В конце концов это оказалось ошибкой в эксперименте. Выяснилось, что исследователи не учли некоторый эффект запаздывания сигнала, который влиял на синхронизацию их оборудования и источником нейтрино в ЦЕРНе. Эйнштейн и специальная теория относительности устояли, но на какое-то короткое время этот эксперимент вызвал нездоровое оживление среди теоретиков и экспериментаторов. 

Если бы результаты регистрации сверхсветовых нейтрино оказались верными, нам всем пришлось бы несладко. Пришлось бы пересмотреть всю картину мироздания. В качестве шутки отмечу одно обстоятельство.

Физики, занимающиеся теорией элементарных частиц, работают в рациональной системе физических единиц. В ней постоянная Планка равна скорости света и константе Больцмана, и при этом —  единице. И вот если бы выяснилось, что у нейтрино предельная скорость распространения не равна световой, то пришлось бы восстанавливать ее значение в каждой формуле. А это значит, формулы бы стали намного более громоздкими и запутанными.

— Вы — физик-теоретик, но с экспериментаторами работаете довольно много. Так часто бывает?

— На самом деле взаимодействие теоретиков и экспериментаторов — обычная ситуация. Бывают, конечно, такие теоретики, для которых эксперимент вообще невозможен, но они постигают природу вещей другими способами. Однако же по структуре протона и сильному взаимодействию, которыми я занимаюсь, довольно много возможностей для экспериментов. 

Я считаю, что любой хороший специалист-теоретик должен понимать, как ставится эксперимент, который должен подтвердить или опровергнуть какие-то его теоретические расчеты, выкладки и построения. Поэтому работать с экспериментаторами полезно, можно много чему научиться. Но важно устанавливать правильный диалог с коллегами из других областей. А вот у плохого теоретика с экспериментатором он обычно построен, как у лисы и журавля в сказке про то, как они друг друга угощали. Им интересно абсолютно разное. Теоретику обязательно нужно понять экспериментатора и сделать так, чтобы оказаться понятым самому.

— Что почитать, если хочется следить за исследованиями на стыке теоретической и экспериментальной физики?

— Очень полезно читать тех людей, которые выступают агрегаторами знаний. Я очень рекомендую посмотреть на сайте elementy.ru научный блог, который ведет Игорь Иванов, отличный специалист и физик-теоретик. Этот ресурс посвящен экспериментам на Большом адронном коллайдере: чем заняты ученые, что на этом коллайдере происходит, какие работы вышли, о чем сообщают результаты. Этот блог — научно-популярный, но он сделан на хорошем уровне. Даже специалистам бывает полезно следить за новыми заметками в этом блоге. Он может служить лоцманом в мире экспериментальных и теоретических работ, показывать интересные возникающие и исчезающие направления.

12 февраля состоится День открытых дверей Школы физико-математических и компьютерных наук. В ходе мероприятия можно будет задать вопросы об учебе на бакалаврской программе «Физика». Для участия необходимо зарегистрироваться.