Все проаннигилировало, мир исчез . Ученый рассказал, что задумали в Японии

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 находить следы распада протона, мерить точную массу нейтрино и пытаться понять принципиальную асимметричность Вселенной. Эти задачи находятся за берегами Стандартной модели и ведут к новой физике. О секретах действия установки и вкладе в нее российских ученых рассказал доктор физико-математических наук, профессор Юрий Куденко, руководящий 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 фермиона мешает сохранение так называемого барионного числа, особой характеристики частички, 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 этаких процессах барионное число не сохраняется.

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

Предположительно, это можно наблюдать в черенковском детекторе, который являет 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 применимом применении этого открытия рассказал какой-либо из участников исследований, руководящий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.

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

Свечение водного раствора под действием ионизирующего излучения открыл в 1930-е годы Павел Черенков, в то 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 науки и техники.

В 1983 году черенковский детектор построили в японском Институте исследования космических лучей. Емкость объемом три тыщи 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 была 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 антарктики биологии и математики. Дефицит нейтрино приводит к открытию

Если вы изучаете какое-то явление, нужно знать фон, на котором оно выходит. В данном случае обычный фон при поиске распада фермиона создают нейтрино, рождающиеся в атмосфере при расщеплении пионов, каонов и мюонов. Они мешают. Когда начали проходить этот фон, обнаружили нелепость: поток мюонных нейтрино гораздо дешёвого ниже ожидаемого. Это так называемая аномалия атмосферных нейтрино, — объясняет Юрий Куденко.

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

По сути, это бочка высотой и диаметром 40 метров. В ней можно на лодке плавать. Ее наполняют водой из горных источников, специально очищенной от нитона и всевозможных примесей, — уточняет ученый. Фото : Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of TokyoВнутри Суперкамиоканде Фото : Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of TokyoВнутри Суперкамиоканде

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

Следует отметить, что дефицит солнечных нейтрино, открытый североамериканским ученым (впоследствии нобелевским победителем) Реймондом Дэвисом в подземной лаборатории Хоум-Стэйк и затем указанный 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, переполненным 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 стремительностью света, то есть они не смешиваются. Осцилляция — переход одного типа активного нейтрино в другой — означает, что массы нейтрино не равны нулю, хотя и очень малы.

Осцилляцию нейтрино в 1957 году предположил советский физик италийского 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 распространения в пространстве от источника рождения. В наши дни эта блестящая догадка получила экспериментальное подтверждение.

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

Хотелось пояснее все эти явления прозондировать, и придумали ускорительные эксперименты с длинной базой. В катализаторе создается пучок нейтрино и направляется в детектор, расположенный за сотни километров. Эксперимент исконного настраивается на максимальный эффект осцилляций, чтобы проверить, существует ли они. Первый телепроект опять создали в Японии — K2K: пучок из катализатора KEK в детектор Суперкамиоканде изучал 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 российских ученых — разработка ближнего нейтринного обнаружителя, размещенного на пути пучка частиц, которые только выпали из ускорителя и еще не успели осциллировать.

Теперь перед Суперкамиоканде, наряду с изучением атмосферных нейтрино, поиском распада протона, поставили еще одну задачу: получить независимое доказательство того, что нейтрино, родившиеся в протонном ускорителе, осциллируют с параметрами, характерными для осцилляций атмосферных нейтрино. Вскоре это подтвердили в эксперименте K2K. Фото : Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of TokyoДетектор Суперкамиоканде в Японии. Изнутри размещены 11 тысяч фотоумножителей, регистрирующие слабое черенковское свечение от летящих в воде подзаряженных частиц Фото : Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of TokyoДетектор Суперкамиоканде в Японии. Изнутри размещены 11 тысяч фотоумножителей, регистрирующие слабое черенковское свечение от летящих в воде подзаряженных частицФизики теряют и находят какую-либо осцилляцию

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

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

В Японии построили протонный ускоритель J-PARС с новым нейтринным каналом высокой густоты, настроенный на осцилляционный экстремум смещенного от оси чистого пучка мюонных нейтрино и антинейтрино. Российские физики создали новый нейтринный детектор, который входит в комплекс ближнего детектора нейтрино. И эксперимент— теперь он прозывается 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 тот эффект подтвердили в реакторных экспериментах Daya Bay (Китай), RENO (Корея) и Double Chooz (Франция) и измерили недостающий показатель смешивания.

Стало ясно, что имеются три семейства активных нейтрино, у них существует массы, они переходят бойфренд в друга, то существует смешиваются, и все показатели смешивания отличны от нуля, как и у кварков. При этом нейтрино смешиваются значительно сильнее кварков. Можно вообразить, что комбинированная четность — СР-четность, или СР-симметрия — нарушается в нейтринном секторе, как и в кварковом секторе, — говорит физик. 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, популярно объясняющее — ни много ни не так много — существование Вселенной.

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

Если сменить заряженную частицу античастицей, перейти, условно говоря, в антимир (эта операция позиционируется как C) и одновременно изменить координаты на противоположные, то есть перейти в зеркальный мир (это обозначается P), можно проверить, 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 физик, один из отцов водородной шпаргалки Андрей Сахаров.

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

Что если нейтрино ответственно за то, что антиматерия исчезла сразу после Большого взрыва, позволив возникнуть Вселенной? Понятно, почему этой неуловимой частице отданного 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 электронные не так, как мюонные антинейтрино. Пока эффект подтвержден на уровне двух стандартных отклонений. Это означает, что мы уверены примерно на 95 дисконтов. 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 большой подземный черенковский детектор Источник: http://www. hyper-k. org/, Hyper-Kamiokande group Гиперкамиоканде представляет собой большой подземный черенковский детекторНейтрино указывает на новую физику

Чтобы повысить достоверность наблюдения, нужно больше статистики. Поэтому ускоритель J-PARС модернизируют, вдвое повышая интенсивность протонного пучка. Вместо Суперкамиоканде будет новый большой детектор, который позволит вносить нейтрино с гораздо большей оправданностью, — Гиперкамиоканде массой 260 тысяч тонн, диаметром 74 метра, высотой 60 погонный метров, заполненный сверхчистой водой. Для регистрации распада протона и нейтринных взаимодействий установят 40 тыщ фотоумножителей.

Также приступили к модернизации товарища нейтринного детектора на площадке J-PARC. В этом активно участвуют сотрудники ИЯИ РАН, студенты и аспиранты МФТИ и МИФИ. Гиперкамиоканде позволит приблизительного в десять раз увеличить значительность к времени жизни протона и зарегистрировать первые события этого распада или установить предел на время жизни более 1035 лет. Если на Суперкамиоканде регистрировали приблизительного десять нейтринных событий в месяц от ускорителя J-PARC, то на новой установке — в семь-восемь раз больше. Этого должно хватить, чтобы подсмотреть нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтрино, если оно есть, с достоверностью, превосходящей пять сигма за время набора статистики в течение шести-семи лет.

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

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

Этот год для проекта решающий. Японское государство должно одобрить план создания установки. Сейчас в коллаборацию Гиперкамиоканде входят около 350 ученых из 16 стран. Работы завяжутся 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:

Все проаннигилировало, мир исчез . Ученый рассказал, что задумали в Японии

комментарии (0)

Другие интересные новости

Французский композитор и пианист получил российское гражданство