Мюонные, электронные и тау-нейтрино превращаются друг в друга, и, как считают физики, в этой метаморфозе кроются тайны космической эволюции.
Ученые из США и Японии впервые объединили результаты двух крупных исследований и получили максимально точное представление о поведении нейтрино — крошечных частиц, которые почти не взаимодействуют с материей. Исследование охватило проекты NOvA в США и T2K в Японии, что позволило проследить, как эти частицы изменяются в процессе своего движения.
Нейтрино проходит сквозь тела и планеты практически незаметно, миллиарды этих частиц проникают через человека каждую секунду, не оставляя следов. Существуют три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Их главная особенность заключается в способности преобразовываться из одного вида в другой, что называется осцилляцией.
Почему такое явление называют сменой «ароматов»? В физике элементарных частиц термин «flavor» переводится как «вкус», и поэтому иногда можно встретить метафорические сравнения этой метаморфозы, так как физикам проще передать заложенный смысл таким образом.
Отслеживание этих превращений открывает ключ к пониманию того, как материя смогла сохранить свое существование после Большого взрыва, в отличие от антиматерии. В текущих экспериментах использовались длинные трассы. NOvA отправляет пучок нейтрино из Фермилаба в Иллинойсе к детектору в Миннесоте, преодолевая около 810 км, а T2K направляет поток из J-PARC в Японии к Супер-Камиоканде на расстояние 295 км. Детекторы состоят из сотен тысяч отдельных ячеек, заполненных минеральным маслом с добавлением светящихся химических соединений. Проходящие частицы вызывают вспышки света, которые фиксируются фотодетекторами. Так исследователи отслеживают изменение «вкуса» нейтрино.
Когда ученые объединили данные, им удалось уточнить разницу масс трех типов частиц с точностью около 2%, а также изучить, ведут ли себя нейтрино и антинейтрино по-разному. Если эта разница подтвердится, это поможет понять, почему в нашей Вселенной оказалось больше материи, чем антиматерии.
Каждое измерение требует сложной электроники и точного синхронизированного времени. Пучки формируются с помощью ускорителей, которые направляют заряженные частицы на мишени, где рождаются нейтрино. Датчики, установленные на глубине сотен метров под землей, защищены от космических лучей и шумов, что позволяет им фиксировать даже редкие взаимодействия.
NOvA и T2K применяют различные энергии пучков и материалы детекторов, что в итоге создает более полное представление осцилляций. Это открывает возможность для новых проектов, таких как Deep Underground Neutrino Experiment в США и Hyper-Kamiokande в Японии, где будут использоваться более мощные ускорители и расширенные детекторы для анализа изменений нейтрино на больших расстояниях.
Исследование стало важным шагом к разгадке одной из главных тайн физики — природы этих невидимых частиц и их роли в эволюции Вселенной. Хотя окончательных ответов пока нет, ученые провели точные измерения, на основе которых будут строиться будущие открытия.
Фото: hi-tech.mail.ru