Гиперкамиоканде выяснит, чем на самом деле окончился Большой взрыв

17 Июня 2019

МОСКВА, 17 июня —, Татьяна Пичугина. В конце года правительство Японии утвердит проект Гиперкамиоканде — большого черенковского детектора, на котором ученые всего мира будут искать следы распада протона, мерить точную массу нейтрино и рисковать понять принципиальную асимметричность Вселенной. Эти задачи находятся за пределами Стандартной модели и ведут к новой физике. О принципах действия установки и вкладе в нее российских ученых рассказал доктор физико-математических наук, профессор Юрий Куденко, находиться во глава отделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН. Черенковский свет в Японии

Вещество, из которого созданы мы и весь наш мир, очень прочного. Почему? Ответ простой: протон, входящий в состав атомного ядра, живет колоссально долго. Представьте, время жизни Вселенной — 14, 5х109 лет, протона — 1034 лет, — говорит Юрий Куденко.

Распаду нуклона мешает сохранение так называемого барионного числа, особой характеристики частицы, которая проявляется в квантовом мире. Для протона оно равно единице. Продуктом распада, таким образом, могут быть частицы легче протона, например каон и пион, состоящие из кварков и антикварков, электрон, мюон и их античастицы. Проблема в том, что в таких процессах барионное число не остаётся.

В то же период время некоторые теоретические модели, распространяющие Стандартную модель, например доктрина великого объединения, где мощное, электромагнитное и слабое взаимодействия — одна сила, предполагает, что барионное число не сохраняется. Протон может подразделяться на позитрон — античастицу сплава — и нейтральный пион, — продолжает ученый.

Предположительно, это можно наблюдать в черенковском детекторе, который препровождает собой большую емкость (цистерну), заполненную водой. В молекуле воды есть атомы водорода — один протон с электроном на орбите. Интереснее всего был бы процесс распада протона на позитрон и нейтральный пион, который мгновенно делается в два гамма-кванта. 25 июля 2013, 17:00Открытие физиков из РФ может изменить понимание устройства ВселеннойО значении для мира науки обнаружения нейтринных осцилляций и о возможном утилитарном применении этого открытия рассказал один из участников исследований, находиться во глава отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.

Так как скорость позитрона и частиц в двух электромагнитных ливнях от гамма-квантов выше скорости света в воде (не в форвакууме), при их движении в детекторе возникают черенковские кванты, создающие слабое голубое полноценное свечение. Их можно зафиксировать чувствительными фотодетекторами, определить тип частицы и вычислить энергию: в сумме она должна быть сходной массе протона.

Свечение водного раствора под действием ионизирующего изливания открыл в 1930-е годы Павел Черенков, в то период время аспирант Сергея Вавилова, а советские физики Игорь Тамм и Илья Франк объяснили этот эффект, за, что все трое спустя два десятилетия удостоились Нобелевской премии.

Черенковские детекторы применяют во всем мире в исследованиях по физике высоких энергий, нейтринной физике, астрофизике, а также в других областях доктрины и техники.

В 1983 году черенковский детектор построили в японском Институте исследования космических лучей. Емкость объемом три тысячи тонн размещена в шахте Мозуми в центральной части острова Хонсю. Проект назвали KamiokaNDE — в честь небольшого города Камиока неподалеку от шахты. 10 ноября 2015, 22:24Breakthrough Prize вручат за разгадку одной из тайн ВселеннойПремия Breakthrough Prize заключалась создана Мильнером, Брином и Цукербергом и их друзьями в 2012 и 2013 годах с целью стимуляции фундаментальных научных исследований изначально в области физики, а затем - в пригородная части биологии и математики. Дефицит нейтрино приводит к открытию

Если вы изучаете одно явление, нужно знать фон, на котором оно проистекает. В данном случае местный фон при поиске распада нуклона создают нейтрино, рождающиеся в атмосфере при расщеплении пионов, каонов и мюонов. Они мешают. Когда начали осваивать этот фон, обнаружили прибаба: поток мюонных нейтрино существенно ниже ожидаемого. Это так называемая аномалия атмосферных нейтрино, — объясняет Юрий Куденко.

Чтобы разобраться в этом, а заодно повысить чувствительность эксперимента к распаду протона, ученые построили детектор побольше — Суперкамиоканде объемом пятьдесят килотонн.

По сути, это бочка высотой и диаметром 40 метров. В ней легко на лодке плавать. Ее наполняют водой из горных источников, специально очищенной от радона и всевозможных примесей, — уточняет ученый.

На дне, крышке и стенах бочки изнутри рассованного 11 тысяч фотоумножителей, какие регистрируют энергию заряженных частиц по черенковскому свету. Установка собирала статистику с 1996-го, и уже через два с половиной года эффект дефицита мюонных нейтрино подтвердили. Расчеты указывали на то, что эти частицы осциллируют — превращаются друг в друга с определенной вероятностью. А это возможно, только если у них есть масса.

Следует отметить, что дефицит солнечных нейтрино, открытый американским ученым (впоследствии нобелевским лауреатом) Реймондом Дэвисом в подземной лаборатории Хоум-Стэйк и затем подтвержденный в экспериментах SAGE в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, GALLEX в лаборатории Гран-Сассо (Италия) и Суперкамиоканде, также объяснили осцилляциями в обсерватории Садбери в Канаде в эксперименте с детектором SNO, заполненным тяжелой водой. В 2015 году за это присудили Нобелевскую премию руководителям двух проектов: Такааки Кадзита ( Суперкамиоканде ) и Артуру Макдональду из нейтринной обсерватории Садбери (Канада).

Почему научное сообщество так высоко оценило открытие осцилляций нейтрино? Дело в том, что, согласно Стандартной модели, нейтрино — безмассовые частицы и не могут менять свой аромат (переходить друг в друга) в процессе движения со скоростью света, то упихивать они не смешиваются. Осцилляция — переход одного типа интенсивного нейтрино в другой — значит, что массы нейтрино не равны нулю, хотя и очень малы.

Осцилляцию нейтрино в 1957 году предположил советский радиофизик итальянского происхождения Бруно Понтекорво, работавший потом с Владимиром Грибовым. Согласно их гипотезе, разные сорта нейтрино или антинейтрино переходят друг в друга с определенной вероятностью по мере возникновения в пространстве от источника начала. В наши дни эта блестящая догадка получила экспериментальное подтверждение.

Исследование осцилляций в более широком толковании свойств нейтрино выходит за рамки Стандартной модели, а обычная частица одновременно служит инструментом и лабораторией новой физики. 6 мая 2018, 08:00Нейтринная санта-барбара :, что известно о собственный жизни частиц-призраковК тайне нейтрино задают ускоритель

Хотелось получше все эти явления позондировать, и придумали ускорительные эксперименты с длинной базой. В ускорителе создается пучок нейтрино и направляется в детектор, положенный за сотни километров. Эксперимент изначально настраивается на максимальный эффект осцилляций, чтобы проверить, есть ли они. Первый проект опять создали в Японии — K2K: пучок из ускорителя KEK в детектор Суперкамиоканде проходил в земле около 250 километров, — продолжает Куденко.

Он с коллегами из ИЯИ РАН участвует в экспериментах в Японии с 1991 года, в проекте K2K — с 2002-го. Основной вклад русских ученых — разработка ближнего нейтринного детектора, размещенного на доступа пучка частиц, которые только вылетели из ускорителя и еще не успели осциллировать.

Теперь перед Суперкамиоканде, наряду с изучением атмосферических нейтрино, поиском распада нуклона, поставили еще одну задачу: получить независимое доказательство такого, что нейтрино, родившиеся в протонном ускорителе, осциллируют с параметрами, характерными для осцилляций атмосферных нейтрино. Вскоре это подтвердили в эксперименте K2K. 8 августа 2016, 14:25Российские физики помогли предусмотреть важное открытие для познания ВселеннойДанные, полученные участниками международного эксперимента Т2К, указывают на разную вероятность превращения нейтрино из одного типа в другой, что является одним из условий преобладания в нашей Вселенной вещества над антивеществом. Физики теряют и изобретают одну осцилляцию

Вместе с тем ученых занимал вопрос: почему они испытывают, как мюонные нейтрино (изначально из них состоит ускорительный пучок) переходят в тау-нейтрино, а в электронные — нет.

Все три типа нейтрино друг в друга переходят, только одного перехода — мюонных в электронные — не видно. Это была большая шарада. Предложили много моделей, которые в основном говорили, что такой осцилляции либо вообще нет, либо она очень мала, — комментирует радиофизик.

В Японии построили протонный ускоритель J-PARС с новым нейтринным каналом определенной интенсивности, настроенный на осцилляционный максимум смещенного от оси опрятного пучка мюонных нейтрино и антинейтрино. Российские физики создали новый нейтринный детектор, который входит в комплекс ближнего детектора нейтрино. И эксперимент— теперь он называется T2K (Tokai-to-Kamioka) — с пучком нейтрино из J-PARC в Суперкамиоканде обрел вторую жизнь.

Довольно скоро, в 2011 году, в эксперименте Т2К обнаружили переход мюонных нейтрино в электронные. Следом этот эффект подтвердили в реакторных экспериментах Daya Bay (Китай), RENO (Корея) и Double Chooz (Франция) и измерили недостающий параметр смешивания.

Стало наглядного, что имеются три семейства активных нейтрино, у них есть массы, они перебегают друг в друга, то есть смешиваются, и все параметры смешивания отличны от нуля, как и у кварков. При этом нейтрино перемешиваются значительно сильнее кварков. Можно предположить, что комбинированная четность — СР-четность, или СР-симметрия — нарушается в нейтринном мире, как и в кварковом секторе, — говорит радиофизик. Иллюстрация. Источники: ESA, https://j-parc. jpЭксперимент Суперкамиоканде в Японии по изучению осцилляций нейтрино Иллюстрация. Источники: ESA, https://j-parc. jpЭксперимент Суперкамиоканде в Японии по изучению осцилляций нейтриноСахаров ставит условие

CP-симметрия — важнейшее понятие в физике, объясняющее — ни много ни мало — существование Вселенной.

Наш мир состоит из вещества, антивещества в нем нет. Нет в природе антипротонов, антинейтронов, как только возникает позитрон, он аннигилирует с сплавом и исчезает, испуская квант. Если бы антивещества во Вселенной было столько же, сколько вещества, оно бы все проаннигилировало, мир испарился. Значит, в момент Большого взрыва баланс между веществом и антивеществом нарушился. Примерно на десять миллиардов пар частиц образовался только один неспаренный нейтрон или, допустим, кварк. Почему? Неизвестно. Это одна из фундаментальных загадок, — продолжает Юрий Куденко.

Если заменить заряженную частицу античастицей, перейти, условно говоря, в антимир (эта операция обозначается как C) и одновременно изменить координаты на обратные, то есть перейти в зеркальный мир (это помечается P), можно проанализировать, сохраняются ли физические законы при этих преобразованиях. Если да, то СР-симметрия действует, если нет, значит, она нарушается. Так вот, в момент Большого взрыва CP-симметрия нарушилась. Только так наш мир возможен. Это условие сформулировал советский радиофизик, один из отцов водородной бомбы Андрей Сахаров.

В 1964 году нарушение CP-симметрии обнаружили в распаде каонов в Брукхейвенской лаборатории в США. Авторы открытия составили Нобелевскую премию. Казалось, это объясняет отсутствие антиматерии. Однако детальный анализ показал, что этого недостаточно. И вот сейчас возникла возможность проанализировать, нарушается ли CP-симметрия на уровне нейтрино. Некоторые модели это допускают, — обозначает ученый.

Что если нейтрино ответственно за то, что антиматерия испарилась сразу после Большого взрыва, позволив возникнуть Вселенной? Понятно, почему этой неуловимой частице посвящено так много проектов, почему государства не жалеют средств на новые установки и развитие нейтринной физики.

В эксперименте Т2К мы уже начинаем видеть эффект нарушения СР-симметрии в нейтринных осцилляциях. Мюонные нейтрино переходят в цифровые не так, как мюонные антинейтрино. Пока эффект указанный на уровне двух стандартных отклонений. Это означает, что мы уверены примерно на 95 процентов. Это мало, нужен уровень пять сигма — 99, 9999 процента. Тогда открытие будет признано. Пока это воспринимается как указание, — подчеркивает Куденко. Источник: http://www. hyper-k. org/, Hyper-Kamiokande group Гиперкамиоканде представляет собой гигантский подземный черенковский детектор Источник: http://www. hyper-k. org/, Hyper-Kamiokande group Гиперкамиоканде представляет собой гигантский подземный черенковский детекторНейтрино говорит на новую физику

Чтобы повысить достоверность наблюдения, нужно больше статистики. Поэтому ускоритель J-PARС модернизируют, вдвое повышая интенсивность протонного узла. Вместо Суперкамиоканде будет новый гигантский детектор, который купит регистрировать нейтрино с гораздо большой эффективностью, — Гиперкамиоканде массой 260 тысяч тонн, диаметром 74 метра, высотой 60 метров, заполненный сверхчистой водой. Для регистрации распада нуклона и нейтринных взаимодействий установят 40 тысяч фотоумножителей.

Также приступили к модернизации ближнего нейтринного детектора на спортплощадке J-PARC. В этом очень интенсивного участвуют сотрудники ИЯИ РАН, студенты и аспиранты МФТИ и МИФИ. Гиперкамиоканде купит примерно в десять раз усилить чувствительность к времени жизни нуклона и зарегистрировать первые события этого распада или установить предел на время жизни более 1035 лет. Если на Суперкамиоканде вносили примерно десять нейтринных событий в месяц от ускорителя J-PARC, то на новой установке — в семь-восемь раз больше. Этого должно хватить, чтобы увидеть нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтрино, если оно упихивать, с достоверностью, превышающей пять сигма за время пара десятка статистики в течение шести-семи лет.

Не менее интересно, если эффекта нет или он не хороший, считает Юрий Куденко.

Мяч в любом случае будет на нашей стороне. Нейтринная физика владеет от других областей тем, что эксперимент здесь фактически подсказывает дальнейшее направление мысли. Многие эффекты были обнаружены неожиданно. Мы даже массу нейтрино не знаем точно, только ее верхний предел — два электронвольта, исходя из экспериментов по прямому измерению в бета-распаде водорода. Из космологических данных, которые модельно зависимы, выходит верхний предел на массу нейтрино 0, 15 электронвольта. Из осцилляционных измерений мы знаем только разность квадратов масс и углы смешивания, которые отвечают за вероятность перехода типов нейтрино один в другой. По-прежнему много вопросов. Физика нейтрино — чрезвычайно интересная и непредсказуемая пригородная часть за рамками Стандартной модели. Это проявление чего-то нового, что мы не осознаем до конца, не можем пока предвидеть и пощупать, — заключает он.

Этот год для проекта решающий. Японское правительство должно одобрить план создания установки. Сейчас в коллаборацию Гиперкамиоканде входят около 350 ученых из 16 стран. Работы начнутся в апреле 2020 года, а эксперимент — в 2027-м. 4 апреля, 08:00В теорию не укладывается. Что находится за пределами Стандартной модели

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Гиперкамиоканде выяснит, чем на самом деле окончился Большой взрыв

комментарии (0)

Другие интересные новости

Путин поздравил Валерия Гергиева с днем рождения