Прибор для поиска нейтрино будет установлен в «подземельях Мории»

В огромных искусственных пещерах, которые ученые в шутку сравнивают с подземельями Мории, описанными в романе Толкиена «Властелин колец», будет размещен детектор частиц и сопутствующее оборудование. Ученые создают мощный источник нейтрино и установка по его регистрации (LBNF-DUNE — Long-Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment), чтобы помочь ответить на некоторые самые глубокие вопросы физики.

Нейтрино — это субатомные частицы. Они очень малы и практически неуловимы. Почти 100 лет назад физики предположили, что нейтрино существуют, когда оказалось, что при определенных взаимодействиях между частицами, «не хватает» энергии. И было непонятно, куда же она пропадает.

В 1956 году ученые обнаружили нейтрино. С тех пор эта частица продолжает удивлять ученых. Одним из самых больших сюрпризов стал тот факт, что нейтрино обладают массой покоя. Для большинства объектов наличие массы является само собой разумеющимся. Но согласно Стандартной модели физики элементарных частиц — нашей лучшей на сегодняшний день модели, описывающей Вселенную, — нейтрино не должны обладать массой покоя, а только энергией.

Физики до сих пор пытаются выяснить, какова масса нейтрино и почему у них есть масса. Другим большим сюрпризом стало то, что существует три различных типа нейтрино, и частицы могут «переключать» тип во время своего существования. На самом деле, это превращение — одна из главных причин, почему физики так заинтересованы в них. Ученые считают, что эта особенность может дать ключ к ответу на огромный вопрос в физике — почему существует нечто, а не ничто?

Как показывает поведение нейтрино, Стандартная модель физики частиц не вполне объясняет некоторые важные аспекты нашей Вселенной. Один из них — тот факт, что материи больше, чем антиматерии.

Согласно нашим современным представлениям, сразу после Большого взрыва должно было быть равное количество материи и антиматерии. (Частицы антиматерии идентичны своим обычным партнерам из материи, за исключением того, что они имеют противоположный заряд, таковы, например, пары электрон-позитрон).

Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, то есть превращаются в чистое излучение. Поэтому в невообразимо короткие мгновения после зарождения Вселенной осталось ничтожное количество обычной материи. Это мизерное количество, оставшееся после взаимодействия материи и антиматерии, и привело к появлению всего во Вселенной. Но остался вопрос: почему не аннигилировала вся материя? У ученых есть множество теорий, объясняющих этот дисбаланс. Одна из них связана с нейтрино и их партнерами из антиматерии.

Чтобы изучить, как нейтрино меняют свой тип во время путешествия, LBNF-DUNE отправит поток нейтрино из Национальной ускорительной лаборатории Фермилаб в Иллинойсе в Южную Дакоту. В начале и конце пути частиц детекторы будут измерять типы нейтрино и антинейтрино.

Сравнивая скорость изменения типа частиц, ученые смогут найти разницу, объясняющую древнее рассогласование. LBNF-DUNE также поможет разобраться в других важных вопросах физики. Когда жизнь некоторых звезд подходит к концу, они взрываются. Когда это происходит, первыми частицами, которые они испускают, становятся нейтрино. Далее в процессе взрыва звезды (это так называемые сверхновые) образуют элементы, в том числе такие необходимые для жизни, как углерод, кислород и железо. Обнаруживая потоки нейтрино от этих событий, LBNF-DUNE может позволить ученым заметить сверхновые в самом начале процесса.

Детекторы DUNE также предназначены для обнаружения других частиц. Насколько нам известно, протоны — единственные составные частицы — частицы, состоящие из других типов частиц, — которые не распадаются в природе. По крайней мере увидеть распадающийся протон до сих пор не удавалось.

Неясно, то ли протоны вообще не распадаются, то ли это настолько редкое явление, что его очень трудно заметить. Если протоны все же распадаются, этот процесс может дать ключ к разгадке того, существовала ли когда-нибудь одна-единственная фундаментальная сила или все четыре, которые мы имеем сегодня, существовали с момента Большого взрыва. Это может указать на то, будет ли Вселенная существовать вечно или же у нее есть конец. Если этот процесс распада протона существует, то LBNF/DUNE предназначен для его потенциального обнаружения.

Одно из самых поразительных свойств нейтрино заключается в том, что они практически не взаимодействуют с другими частицами. В результате они могут преодолевать огромные расстояния в пространстве, не подвергаясь воздействию космических объектов. Поэтому их так трудно обнаружить.

Чтобы решить эту проблему, LBNF-DUNE будет использовать массивные детекторы высотой с семиэтажный дом. В каждом детекторе будет 17 000 тонн жидкого аргона. Такое огромное количество жидкости увеличивает вероятность того, что ученые обнаружат как можно больше нейтрино. Самый дальний детектор — в Южной Дакоте — будет расположен примерно в полутора километрах под землей.

Благодаря этому детектор будет защищен от других космических частиц. Только на строительство искусственной пещеры ушло три года. Команде пришлось разобрать оборудование, перевезти его глубоко под землю, а затем снова собрать. Вырубая пещеры в скале, команда подняла на поверхность 800 000 тонн породы и уложила ее в районе, где раньше находилась шахта золотодобывающая шахта.

Теперь, когда пещеры готовы, команда LBNF-DUNE переходит к следующим шагам. В настоящее время инженеры и ученые устанавливают дальний детектор в подземном исследовательском комплексе Сэнфорда. Завершение строительства и начало эксплуатации детектора ожидается в 2028 году. Затем команда перейдет к установке ближнего детектора в лаборатории Fermilab. Запуск LBNF/DUNE станет большим шагом в понимании нейтрино и получении новых знаний о нашей Вселенной в целом.