Как сделать нейтринный луч

Простое объяснение для непрофессионалов того, как сделать луч из нейтрино (детали зависят от конкретной экспериментальной лаборатории).

Сначала создайте луч из протонов – точно так же, как если бы вы нагружали Большой адронный коллайдер (это отдельная история, а пока примем, как данность, существование луча протонов).

Затем столкните протонный луч с мишенью – тонким листом материала. Протоны будут сталкиваться с ядрами атомов материала и разбивать их – не только разделяя на протоны и нейтроны, но и порождая множество других частиц, включая пионы (пример адронов) как с положительным, так и отрицательным электрическим зарядом. Все эти частицы будут вылетать с обратной части листа материала, в результате чего мы получим луч из протонов, нейтронов, пионов и некоторых других частиц.



Теперь совместите луч и магнит. Магнит искривит путь заряженных частиц. Направление искривления зависит от заряда частицы; степень искривления зависит от энергии частицы. Так что нейтроны пройдут прямо, отрицательно заряженные пионы пойдут в одну сторону, а протоны и положительно заряженные пионы пойдут в другую. Дайте большинству частиц уйти в стену; там, где вы оставите проход, частицы, проходящие сквозь него, будут обладать примерно равными энергиями и электрическими зарядами. Таким образом, разместив проход в нужном месте, вы можете получить луч, состоящий преимущественно из положительно заряженных пионов с одинаковыми энергиями.

Пионы начнут распадаться, превращаясь в антимюон и нейтрино. Вскоре уже ваш луч будет состоять из положительно заряженных мюонов, нескольких пока ещё не распавшихся пионов и затесавшихся протонов, а также нейтрино.



Теперь совместите луч с другим магнитом. Нейтрино, как электрически нейтральные, будут проходить далее. Положительно заряженные частицы – мюоны, и оставшиеся пионы с протонами, отклонятся в одну сторону. Пусть они уйдут в стену. И что останется? Луч нейтрино. Не особенно узкий, конечно, но если вы начинали с большого количества протонов, он будет весьма мощный.

Управляя направлением движения начальных протонов и промежуточных пионов, можно направить этот луч в любом направлении. К примеру, его можно создать в ЦЕРН и направить в сторону горы Гран-Сассо-д’Италия, где проходит эксперимент OPERA. Этот луч не будет узким – к тому времени, как он пройдёт 730 км до Гран-Сассо, он будет иметь 2 км в поперечнике. Но его будет достаточно для наших целей.

Как обнаружить нейтрино

Простое объяснение для непрофессионалов того, как сделать обнаружить нейтрино.

Нейтрино постоянно проходят через ваше тело. Их поток идёт от Солнца, из его центральной печи, и даже если вы находитесь на ночной стороне планеты, эти нейтрино проходят сквозь Землю и сквозь ваше тело так, будто никакой Земли там и нет. Космические лучи (высокоэнергетические частицы, прилетающие из космоса) часто ударяют атомы в верхних слоях атмосферы и порождают несколько нейтрино. Они тоже проходят сквозь вас.

Почти всегда. Но очень-очень малая часть нейтрино во что-то врезается.

Если нейтрино входит в ядро атома, проходит внутри одного из протонов или нейтронов и (грубо говоря) оказывается слишком близко к кварку (или антикварку), находящемуся внутри протона или нейтрона, тогда существует неплохой шанс на то, что нейтрино и кварк (или антикварк) столкнутся. То же можно сказать и о нейтрино, сталкивающемся с электроном на задворках атома. Но этот процесс происходит нечасто, ибо в нём участвует слабое ядерное взаимодействие, и (особенно для нейтрино с низкой энергией) слабость этого взаимодействия гарантирует редкость таких столкновений.

Допустим, нейтрино всё же столкнулся с кварком или антикварком внутри атомного ядра: что происходит дальше? Если у нейтрино достаточно энергии, он разбивает ядро на отдельные протоны и нейтроны, и часто, если его энергия высока, приводит к появлению пионов (ещё одного типа адронов: частицы, состоящей из кварков, антикварков и глюонов, как и протон с нейтроном). Нейтрино продолжает свой путь незарегистрированным, но получившиеся протоны, нейтроны и пионы можно наблюдать, поскольку и они в свою очередь сталкиваются с другими атомными ядрами, и разбивают их на части. Конкретные особенности методов наблюдения зависят от детекторов.

Есть и ещё одна возможность. Иногда во время столкновения с кварком или антикварком, нейтрино может превратиться в заряженный лептон, например, электрон, мюон или тау. Тип лептона зависит от того, какого типа был нейтрино, и даже может зависеть от того, что нейтрино делал до того, как прибыл на место.

Возможность этого варианта диктует особенность слабого ядерного взаимодействия, осуществляющего это преобразование через W-поле, волнами которого являются W-частицы. В данном случае можно обнаружить не только разлетающиеся от первого и последующих столкновений протоны, нейтроны и пионы, но и электрон, мюон, или продукты распада тау, в которые превратился нейтрино. В последнем случае продукты распада тау включают электрон, мюон или пион с несколькими фотонами – и всё это можно зафиксировать.

Получается, что хотя мы не можем легко и надёжно зафиксировать наличие нейтрино так, как это можно сделать с электронами или мюонами (сталкивающимися с атомами при прохождении сквозь материю) или протонами и нейтронами (сталкивающимися с большим количеством атомных ядер при прохождении сквозь материю), мы всё же можем иногда их наблюдать. Если у вас есть достаточно нейтрино, например, после того, как не очень далёкая звёзда превратилась в сверхновую, или в центре луча нейтрино, или даже просто постоянный поток нейтрино от Солнца, мы можем обнаружить эти нейтрино, когда какой-нибудь из них сталкивается с атомным ядром внутри детектора. Всё благодаря тому, что даже одно столкновение с одним несчастным ядром может создать каскад протонов, нейтронов и пионов (которые мы легко обнаружим), и, возможно, электронов и мюонов (которые мы тоже легко обнаружим).

Получается, что один из способов изучения нейтрино – создать мощные лучи нейтрино, построить детектор, способный улавливать протоны, нейтроны, пионы, мюоны и/или электроны, летящие из ядра, разбитого нейтрино, и запастись терпением (эксперименту OPERA потребовалось три года, чтобы обнаружить 16000 нейтрино – всего полтора десятка в день). В мире есть и множество других детекторов нейтрино, они используют разные материалы и разные стратегии. Распространённый способ – построить огромный детектор, заполненный водой или другой чистой жидкостью, расположенный глубоко под землёй, чтобы защититься от космических лучей, и терпеливо ждать какого-нибудь случайного нейтрино от Солнца или одного из космических лучей, или от сверхновой, который сможет породить «брызги». И брызги получаются ощутимыми – за недавнее время при помощи нейтрино уже было сделано несколько важных открытий. Возможно, наиважнейшее из них было сделано на OPERA. [Незадолго до написания статьи в сентябре 2011 года в этом эксперименте были получены данные, согласно которым некоторые нейтрино демонстрировали движение с превышением скорости света. После тщательных проверок выяснилось, что причиной тому послужила ошибка эксперимента – прим. перев.]