Тихий океан вам в помощь. Ученые планируют построить гигантский детектор неуловимых космических частиц

Поскольку Солнце, как и многие другие звезды, являются естественными термоядерными источниками, нейтрино в огромных производятся нашим светилом. Если вы поднимете руку и закроете большим пальцем Солнце, то ежесекундно сквозь ноготь будут проходить около 60 млрд этих частиц. Причем не все они будут «солнечными» — некоторые из них появились буквально в первые секунды после Большого взрыва и теперь путешествуют сквозь Вселенную, практически не взаимодействуя ни с чем не своем пути.

Однако, несмотря на это огромное количество, за всю человеческую жизнь с атомами тела в среднем взаимодействует… один нейтрино.

Они настолько маленькие и быстрые, что долгое время физики предполагали, что эти частицы совершенно не имеют массы и текут сквозь Вселенную со скоростью света. Лишь недавно ученым удалось доказать, что нейтрино все-таки обладают массой. Однако несмотря на то, что ученым все-таки удалось их уловить, они все равно ставят перед научным сообществом очень много вопросов, ответов на которые пока что нет.

Взять ту же массу — хоть ученые и выяснили, что нейтрино — не безмассовые частицы, однако определить точную их массу исследователям пока не удалось. Именно это и делает их такими неуловимыми — нейтрино практически не взаимодействуют материей, из-за чего изучать их — достаточно сложная задача.

По неизвестным нам причинам, в природе существует целых три вида нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Что интересно, каждый из этих «ароматов» обладает странной особенностью: один вид может стать другим во время своего путешествия. Это называется нейтринными осцилляциями, а физики Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию в 2015 году за экспериментальное доказательство превращений нейтрино.

Этот квантовый эффект заметно усложняет работу ученым. Сейчас исследователи, которые занимаются нейтрино, ставят перед собой две главные задачи — измерить массы всех трех видов нейтрино, а также понять принцип формирования этих масс. Существующие детекторы или недостаточно мощны или требуют не только больших вложений, но и больших пространств.

Одной из самых успешных нейтринных обсерваторий считается IceCube, которую построили в Антарктиде. Это кубический километр льда, пронизанный десятками нитей приемников размером с Эйфелеву башню, расположенных на километровой глубине под поверхностью. Именно на этой обсерватории ученые обнаружили одни из самых энергичных нейтрино за всю историю наблюдений, которые были произведены блазарами — ядрами галактик, которые характеризуются чрезвычайной яркостью и мощностью.

Однако за все время своей работы IceCube не порадовала ученых большим количеством полезных данных, хотя и считался в свое время одной из самых перспективных обсерваторий. Поэтому исследователи готовы подняться ставки.

Так и возникла идея Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE), которая подробно описана в статья, которая доступна на сервере препринтов arXiv. Если коротко, ученые предлагают превратить часть Тихого океана в громадный детектор нейтрино.

Почему Тихий океан? На самом деле детектором нейтрино может выступать практически что угодно — даже ноготь на вашем большом пальце. Однако чистая вода подходит лучше всего, ведь при взаимодействии атомов воды и нейтрино появляется вспышка света, которую легче всего улавливать фотодетекторам. Затем ученые могут анализировать эти вспышки и понимать, какой именно нейтрино они уловили.

Концепция предлагаемого детектора достаточно проста (как минимум, на словах). Ученым понадобится отдаленная часть Тихого океана, которую не будут пересекать суда — благодаря его размерам это будет не очень сложно. Затем на глубину около 2 км будут опущены фотодетекторы, которые будут соединены с поплавками на поверхности воды. Ученые хотят построить 10 таких глубоководных кластеров, каждый из которых будет содержать по 20 оптических элементов — таким образом получится 1400 детекторов, которые будут покрывать территорию в несколько кубических километров.

В ближайшее время исследовательская команда, стоящая за предложением, планирует построить небольшое устройство, которое выступит в качестве прототипа. Таким образом они сумеют проверить свою идею улавливания нейтрино в океанской воде, которая на самом деле далека от идеальных условий в детекторах вроде IceCube — она не самая чистая благодаря планктону, рыбе и всевозможным экскрементам подводных жителей.

Если у физики научатся калибровать инструмент, чтобы он «игнорировал» помехи, то у нас наконец появится возможность раскрыть хотя бы часть загадок этих неуловимых частиц.