Российским физикам в сотрудничестве с американскими коллегами удалось подтвердить почти полувековые предсказания о взаимодействии «частицы-призрака» — нейтрино — с обычным веществом. Статья опубликована в престижном журнале Science.
В 1974 году была высказана гипотеза о том, что нейтрино могут взаимодействовать с веществом ранее неизвестным способом. Эти сверхлегкие (в миллионы раз легче электрона) элементарные частицы свободно проходят сквозь планеты. Иногда они сталкиваются с ядрами атомов, взаимодействуя с отдельными протонами и нейтронами. Однако 43 года назад физики предположили, что нейтрино могут взаимодействовать с ядром как с единым целым. Этот механизм называется когерентным рассеиванием нейтрино на ядрах. Он был предложен в рамках Стандартной модели электрослабых взаимодействий, но до сих пор не был подтвержден экспериментально.
Электрослабое взаимодействие представляет собой общее описание двух фундаментальных взаимодействий — слабого и электромагнитного. Считается, что когда температура Вселенной достигала примерно 1015 кельвинов (сразу же после Большого взрыва), они были единым целым. В отличие от электромагнитных сил, слабые проявляются в масштабах, значительно меньших размера атомного ядра. Они обусловливают бета-распад последнего, при котором может испускаться как нейтрино, так и антинейтрино. Однако теория электрослабого взаимодействия описывает не только возникновение нейтрино, но и его взаимодействие с материей.
Согласно теории, если нейтрино взаимодействует с ядром через когерентное рассеяние, то выделяется энергия, которая передается ядру через Z-бозон — переносчик слабого взаимодействия. Этот процесс крайне сложно зафиксировать, поскольку энерговыделение очень незначительно (несколько килоэлектронвольт, кэВ). Чтобы повысить вероятность когерентного рассеяния, в качестве мишеней используют тяжелые элементы — йод, цезий или ксенон. Но чем тяжелее ядро, тем труднее обнаружить эту отдачу, что также осложняет ситуацию.
Для обнаружения рассеяния нейтрино предлагалось использовать криогенные детекторы, которые гипотетически способны регистрировать даже продукты взаимодействия темной материи с обычным веществом. Криогенный детектор — это очень холодная камера (температура всего лишь на одну сотую градуса выше абсолютного нуля), улавливающая небольшое количество тепла, которое выделяется при реакции нейтрино с ядрами. В качестве субстрата используются, например, кристаллы германия (Cryogenic Dark Matter Search) или вольфрамата кальция (The Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers). Кроме того, в качестве детекторов могли бы применяться сверхпроводниковые устройства, модифицированные полупроводники или инертные жидкости.
Ученые выполнили необходимые расчеты и выяснили, что идеальный кандидат для мишени — йодид цезия с примесью натрия. Кристаллы этого вещества легли в основу небольшого детектора размером 10 на 30 сантиметров и весом 14 килограммов. Его установили на SNS — источнике нейтронов при Национальной лаборатории Ок-Ридж в штате Теннесси (США). Детектор был помещен в туннель, экранированный железом и бетоном, всего в 20 метрах от источника. SNS производит нейтронные пучки, однако при этом возникает побочный продукт — нейтрино.
В отличие от естественных источников нейтрино, например Солнца или атмосферы Земли, SNS может произвести пучок нейтрино достаточно большой, чтобы его уловил детектор, но в то же время достаточно малый, чтобы возникло когерентное рассеяние. По словам ученых, SNS и детектор идеально подходили друг другу. При взаимодействии с частицами молекулы йодида цезия превращаются в сцинтилляторы, то есть переизлучают энергию в виде света. Именно этот свет удалось зарегистрировать. В соответствии со Стандартной моделью было определено, что с кристаллом взаимодействовали мюонное нейтрино, мюонное антинейтрино и электронное нейтрино.
Какое значение имеет это открытие? Дело не только в том, что в очередной раз подтвердилась физическая картина мира, описываемая Стандартной моделью. Когерентное рассеяние поможет разработать средства мониторинга ядерных реакторов, позволяющие видеть сквозь стенку, что происходит внутри них. Когерентное рассеяние также происходит внутри обычных звезд, компактных объектов (нейтронные звезды) и во время вспышек сверхновых, что позволит больше узнать об их жизни и строении. Известно, что при взрыве массивной звезды нейтрино, присутствующие в недрах объекта, ударяются о внешнюю оболочку, формируя ударную волну, которая разрывает звезду на части. Когерентное рассеяние способно объяснить такое взаимодействие нейтрино с веществом взрывающейся звезды.
Кроме того, в поиске теоретических частиц темного вещества — вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) — ученые полагаются на регистрацию излучения от их столкновений с ядрами атомов. Его нужно отличать от фона, создаваемого когерентным рассеиванием нейтрино. Это улучшит данные, которые можно получить о темном веществе с помощью криогенных и других детекторов.
