Тихий океан вам допоможе. Науковці планують побудувати гігантський детектор невловимих космічних частинок

Оскільки Сонце, як і багато інших зірок, є природними термоядерними джерелами, нейтрино у величезних кіількостях виробляються нашим світилом. Якщо ви піднімете руку і закриєте великим пальцем Сонце, то щомиті крізь ніготь проходитимуть близько 60 млрд цих частинок. Причому не всі вони будуть «сонячними» — деякі з них з’явилися буквально в перші секунди після Великого вибуху і тепер подорожують Всесвітом, практично не взаємодіючи ні з чим на своєму шляху.

Однак, незважаючи на цю величезну кількість, за все людське життя з атомами тіла в середньому взаємодіє… одне нейтрино.

Вони настільки маленькі і швидкі, що тривалий час фізики припускали, що ці частинки зовсім не мають маси і прямують крізь Всесвіт зі швидкістю світла. Лише нещодавно вченим вдалося довести, що нейтрино таки мають масу. Однак, незважаючи на те, що вченим все-таки вдалося їх зафіксувати, вони все одно ставлять перед науковою спільнотою дуже багато питань, відповідей на які поки що немає.

Візьмемо, наприклад, масу — хоч науковці й з’ясували, що нейтрино — не безмасові частинки, проте визначити точну їхню масу дослідникам поки що не вдалося. Саме це й робить їх такими невловимими — нейтрино практично не взаємодіють з матерією, через що вивчати їх — досить складне завдання.

З невідомих нам причин у природі існує аж три види нейтрино: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Що цікаво, кожен із цих «ароматів» має дивну особливість: один вид може стати іншим під час своєї подорожі. Це називається нейтринними осциляціями, а фізики Такаакі Кадзіта та Артур Макдональд отримали Нобелівську премію у 2015 році за експериментальний доказ перетворень нейтрино.

Цей квантовий ефект помітно ускладнює роботу вчених. Нині дослідники, які займаються нейтрино, ставлять два основні завдання — виміряти маси всіх трьох видів нейтрино, а також зрозуміти принцип формування цих мас. Існуючі детектори або недостатньо потужні, або вимагають як великих вкладень, так і великих просторів.

Однією з найуспішніших нейтринних обсерваторій вважається IceCube, яку побудували в Антарктиді. Це кубічний кілометр льоду, пронизаний десятками ниток приймачів розміром з Ейфелеву вежу, що розташовані на кілометровій глибині під поверхнею. Саме на цій обсерваторії вчені виявили одні з найенергійніших нейтрино за історію спостережень, які були створені блазарами — ядрами галактик, що характеризуються надзвичайною яскравістю і потужністю.

Проте за весь час своєї роботи IceCube не потішила вчених великою кількістю корисних даних, хоч і вважався свого часу однією з найперспективніших обсерваторій. Тому дослідники готові підвищити ставки.

Так і виникла ідея Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE), яка докладно описана в статті, котра доступна на сервері препринтів arXiv. Якщо стисло, вчені пропонують перетворити частину моря на величезний детектор нейтрино.

Чому Тихий океан? Насправді детектором нейтрино може бути практично що завгодно — навіть ніготь на вашому великому пальці. Однак чиста вода підходить найкраще, адже при взаємодії атомів води та нейтрино з’являється спалах світла, який найлегше вловлювати фотодетекторам. Потім науковці можуть аналізувати ці спалахи та розуміти, який саме нейтрино вони зафіксували.

Концепція пропонованого детектора досить проста (як мінімум на словах). Науковцям знадобиться віддалена частина Тихого океану, яку не перетинатимуть судна — завдяки його розмірам це буде не дуже складно. Потім на глибину близько 2 км буде опущено фотодетектори, з'єднані з поплавцями на поверхні води. Науковці хочуть побудувати 10 таких глибоководних кластерів, кожен з яких утримуватиме по 20 оптичних елементів — таким чином вийде 1400 детекторів, які покриватимуть територію кілька кубічних кілометрів.

Найближчим часом дослідницька команда, яка надала таку пропозицію, планує побудувати невеликий пристрій, який функціонуватиме як прототип. Отже, вони зможуть перевірити свою ідею вловлювання нейтрино в океанській воді, яка насправді далека від ідеальних умов у детекторах на кшталт IceCube — вона не найчистіша завдяки планктону, рибі та різноманітним екскрементам підводної фауни.

Якщо фізики навчаться калібрувати інструмент, щоб він «ігнорував» перешкоди, то нарешті з’явиться можливість розкрити бодай трішки загадок цих невловимих частинок.