Теги → нейтрино

Видео дня: российский нейтринный детектор нового поколения

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» обнародовал на YouTube видео (см. ниже) с демонстрацией нейтринного детектора нового поколения.

Во всех действующих в настоящее время приборах для регистрации нейтрино используется эффект обратного бета-распада. Однако существует и другой подход, который позволяет создавать более эффективные, компактные и мобильные приборы. Этот подход основан на использовании эффекта когерентного рассеяния нейтрино на тяжёлых ядрах.

Когерентное рассеяние нейтрино на ядрах — фундаментальный физический процесс, до сих пор не наблюдавшийся на практике, несмотря на то, что он имеет большое значение для описания эволюции сверхновых звёзд и Вселенной в целом.

Российские учёные создали нейтринный детектор нового поколения под названием РЭД-100 (российский эмиссионный детектор), способный зарегистрировать когерентное рассеяние как эффект. Двухфазные эмиссионные детекторы на жидком ксеноне продемонстрировали высокий потенциал эффективного обнаружения и исследования слабовзаимодействующих массивных частиц в экспериментах по поиску тёмной материи.

Задачей исследователей являлось создание детектора нейтрино нового типа, который бы позволил с высокой эффективностью контролировать состояние активной зоны ядерных реакторов. 

За доказательство массы у нейтрино учёные удостоились Нобелевской премии

В 2015 году Нобелевская премия по физике досталась японцу Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и канадцу Артуру МакДональду (Arthut B. McDonald). Они отмечены за ключевой вклад в эксперименты, демонстрирующие наличие массы у частицы нейтрино, а также доказательство их перехода в разные состояния. По мнению научного сообщества, это открытие изменило представление о самых глубоких нюансах материи, а также поможет в понимании вселенной.

nobelprize.org

nobelprize.org

Эксперименты показали, что нейтрино изменяются от одного типа к другому по мере продвижения от Солнца к Земле. Уже несколько десятилетий для учёных «загадка нейтрино» казалась неразрешимой. В отличие от теоретических расчётов количества нейтрино, на практике до двух третей этих частиц «терялись» на пути к Земле. Теперь стало ясно, что нейтрино просто меняют состояние. Также исследования доказали наличие массы у нейтрино, хоть и очень малой. Ранее на протяжении длительного времени считалось, что эти частицы лишены массы.

nobelprize.org

nobelprize.org

Для физики частиц это историческое открытие. После фотонов, частиц света, нейтрино являются одними из самых распространённых частиц в космосе (по количеству). И они постоянно бомбардируют Землю. Множество нейтрино создаются в реакциях между космической радиацией и атмосферой Земли. Часть из них создаются в ядерных реакциях на Солнце. Тысячи миллиардов нейтрино пронизывают нас ежесекундно.

Напомним, в прошлом году премия по физике была вручена за изобретение эффективных синих светодиодов. А в 2013 году премия досталась учёным за теоретическое обоснование существования бозона Хиггса. Как видите, исследователи элементарных частиц являются частыми лауреатами. Их открытия могут приблизить нас к пониманию окружающего мира. 

В истории сверхсветовых нейтрино поставлена точка. Чуда не произошло

В эксперименте на детекторе частиц OPERA, который завершился сенсационными результатами в сентябре прошлого года, поставлена окончательная точка: чуда не произошло, частицы сумели «преодолеть» скорость света благодаря технической ошибке в работе оборудования.

О результатах повторного эксперимента в беседе с РИА Новости рассказал руководитель группы участников эксперимента OPERA из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин. «Эксперимент был повторен в конце прошлого года и в мае нынешнего года в специальных условиях, с очень короткими импульсами нейтрино из ускорителя ЦЕРНа, делающими интерпретацию результатов совершенно однозначной. Согласно последним данным, подтверждается, что скорость нейтрино совпадает со скоростью света с хорошей точностью, и, таким образом, окончательно доказывается ошибочность прошлогодних сенсационных заявлений».

Напомним, эксперимент с измерением скорости движения нейтрино был реализован в сентябре 2011 года. Фиксируя скорость перемещения частиц от швейцарского ускорителя SPS до детектора OPERA в итальянской лаборатории Гран Сассо, удаленных друг от друга на 730 км, ученые установили, что расстояние преодолевается в среднем на 60 наносекунд быстрее, чем рассчитано теоретически.

Позже участники коллаборации OPERA сообщили, что они обнаружили техническую ошибку, которая могла привести к появлению данных о превышении скорости света. Как и предполагалось, источником сверхсветовых нейтрино оказался плохо вставленный разъем оптического кабеля между внешней антенной GPS и блоком в системе сбора данных установки, отвечающим за синхронизацию внутренних часов установки и часов в ЦЕРНе, где определялся момент начала движения нейтрино. «Это приводило к тому, что внутренние часы эффективно оказывались спешащими, что и приводило к ложному впечатлению, будто нейтрино прилетают раньше, чем если бы они имели скорость, равную скорости света», — подытожил Горнушкин.

Материалы по теме:

Источник:

Плохо подключенный кабель мог «помочь» нейтрино превысить скорость света

В неоднозначной истории со сверхсветовыми нейтрино, которые якобы удалось зафиксировать ученым из коллаборации OPERA, появилась очередная версия с опровержением результата.

Как сообщает ScienceInsider, официальный блог журнала Science, ссылаясь на близкий к ходу эксперимента источник, вероятной причиной регистрации сверхсветовой скорости движения пучка нейтрино мог стать... плохо подключенный оптический кабель, соединяющий GPS-приемник с компьютером.

 

 

После того, как соединение было реализовано должным образом, ученые повторно вычислили скорость прохождения сигнала по кабелю. Выяснилось, что показатель снизился на 60 наносекунд.

При вычислении скорости движения нейтрино от источника к детектору в расчет, среди прочего, принимается время, необходимое для прохождения импульса по проводам, которое затем вычитается из общего результата. Таким образом, ускорение работы системы при тех же экспериментальных данных означает, что нейтрино летели дольше и никакого сверхсветового движения не было.

Официальный представитель ЦЕРНа подтвердил, что такая техническая ошибка была обнаружена, но при этом отметил, что окончательное заключение будет дано после проведения дополнительных экспериментов с пучками нейтрино.

Материалы по теме:

Источник:

Нейтринная связь с подлодками: долой низкую скорость

Подводные коммуникации – это сложное и дорогое удовольствие. Ядерные субмарины могут оставаться скрытыми очень долгое время, передвигаясь на глубинах в несколько сот метров, но связь является серьёзной головной болью, потому что возможна только около поверхности водной среды, где подлодки наиболее уязвимы к обнаружению и атакам. Так сложилось по той причине, что радиоволны очень плохо распространяются в воде. Только крайне низкие частоты (КНЧ, ELF) со значениями менее 100 Гц имеют практическое значение в данной среде. Но их сложно генерировать с высокой мощностью, и даже тогда пропускная способность составляет около 1 бита в минуту.
Нейтрино революционизируют связь с подлодками
Вместо КНЧ используются очень низкие частоты (ОНЧ, VLF) в несколько килогерц. Это позволяет поднять скорость до 50 бит/с, но распространяются сигналы на короткие расстояния. Другими словами, приняты они могут быть длинной антенной, поднимающейся близко к поверхности, что ограничивает маневренность. Привнести инновационное решение согласно одному из предложений должны нейтрино. Проблема с ними заключается в их способности проходить через практически любой материал из-за слабого взаимодействия с веществом, поэтому зафиксировать частицы непросто. По этой причине использование нейтрино в качестве носителя информации всегда считалось неосуществимой идеей. Однако новые исследования заставляют пересмотреть скептическое отношение. Физик из Политехнического института и университета штата Вирджиния (Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia Tech) Патрик Хабер (Patrick Huber) утверждает, что возможно повысить скорость передачи данных до 100 бит/с на любой глубине. Новаторские предложения в следующем. Во-первых, генерирование и фиксирование интенсивного нейтринного излучения. Учёные генерируют пучки этих частиц путём ускорения мюонов (неустойчивых частиц с отрицательным зарядом) до высоких энергий. Затем мюоны распадаются с образованием нейтрино, движущихся в том же направлении. Детектирование является обратным процессом. Когда нейтрино взаимодействуют с материей, образуются относительно легко обнаруживаемые мюоны. Другой вопрос – обращение теории в практическую плоскость. По словам Хабера, этой цели послужит эксперимент MINOS, в рамках которого посылается излучение из Национальной лаборатории ускорения Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) в Чикаго к 5000-тонному мюонному детектору в шахте северной части Миннесоты, на расстояние 700 км. Однако за два года функционирования MINOS было поймано всего 730 частиц. "Очевидно, нужно увеличить значение хотя бы на шесть порядков", - без преуменьшения говорит Хабер. Он верит в достижимость результата со следующим поколением ускорителей. Остаётся задача "словить" частицы на субмарине. Здесь исследователь также не видит тупика: "Мы бы использовали тонкие мюон-детекторные модули, которые могут выступать как покрытие корпуса лодки". Это превратит субмарину в гигантский цилиндрический детектор около 10 метров в диаметре и 100 метров в длину. Принцип работы таков, объясняет учёный: "Мюоны будут проникать через одну сторону подлодки и покидать её через другую. Точки входа и выхода фиксируются, и это будет точно реконструируемым направлением движения". Ещё одна техника основана на определении излучения Черенкова, генерируемого быстрыми мюонами в морской воде. В этом случае можно построить детектор с габаритами, приблизительно отвечающими глубине проникновения света в воду – около 4 км. Конечно, не будет недостатка в шуме от биолюминесценции, самого солнечного света, лунного света, но Хабер уверен, что всё это поддаётся фильтрации. Потенциал есть, препятствия тоже. Одна из особенностей технологии особенно ограничивает светлое будущее: сообщения по "нейтринной связи" можно лишь получать, но не отправлять. Материалы по теме: - Фотоэкскурсия по детекторам нейтрино;
- Искусственная ионосфера изменит радиосвязь;
- Не для чужих ушей.

Фотоэкскурсия по детекторам нейтрино

Нейтрино – загадочные и неуловимые частицы, которые беспрепятственно проходят сквозь любую материю. Через тело человека за одну лишь секунду проносятся триллионы этих частиц. Чтобы увидеть их следы, ученые используют большие объемы воды или ледяные поля. В настоящий момент ведется работа над применением в качестве огромного детектора Луны. А пока исследователи продвигают грани науки за пределы планеты, можно взглянуть на Земные комплексы, служащие раскрытию тайн Вселенной.
Детектор в Homestake Mine
Первые нейтрино были зафиксированы в шахте Хоумстейк (Homestake Mine) в Южной Дакоте, где начали проводить эксперименты в поздних 1960-х годах. Чтобы обнаружить, как много таинственных частиц берет свое начало на Солнце, был построен резервуар на глубине 1,5 км под поверхностью земли и наполнен более 600 тоннами перхлорэтилена – химиката, используемого в очищающих средствах. Подземное размещение гарантировало отсутствие воздействия других типов излучения. Почти каждый день нейтрино сталкивались с атомами хлора, в результате чего появлялись атомы радиоактивного аргона. Подсчитывая их количество, команда исследователей оценивала приблизительное число производимых Солнцем нейтрино, которое было в два раза меньше предсказанного. Несоответствие разрешилось спустя десятилетие.
Обнаружение следов нейтрино с помощью воды
Хотя триллионы нейтрино проходят сквозь наши тела ежесекундно, всего несколько из них взаимодействуют с материей. Чтобы обнаружить больше частиц, физики должны создать масштабные детекторы. Один из способов осуществить это – воспользоваться прозрачностью воды и льда. Когда нейтрино сталкиваются с веществом, появляющиеся в результате новые частицы очень быстро пролетают через окружающие структуры. Во льду и воде эти мчащиеся частицы сопровождают вспышки синего света, называемые излучением Черенкова.
Супер-Камиоканде
Члены исследовательской команды плывут на лодке внутри детектора "Супер-Камиоканде" (Super-Kamiokande) в Хайде, Япония. Сооружение представляет из себя наполненный водой резервуар на глубине 1 км под землей внутри цинкового рудника. Детектор оснащен 11146 световыми сенсорами, называемыми фотоумножительными трубками, разработанными для регистрации излучения Черникова. "Супер-Камиоканде" запустили в 1996 году, а в 1998 году с его помощью удалось подтвердить существование массы у нейтрино. Эксперимент был остановлен в 2001 году, когда одна из стеклянных труб взорвалась при наполнении резервуара водой. Образовавшаяся ударная волна вывела из строя более половины оставшихся детекторов. После дорогостоящего ремонта эксперимент был возобновлен и продолжается до сих пор.
Sudbury Neutrino Observatory
Сюдбургская нейтринная обсерватория (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) в Канаде также использовала воду (1000 тонн) и фиксировала излучение Черенкова с помощью 10000 сенсоров, чтобы вести подсчет частиц и наконец разрешить в 2001 году несоответствие в оценочном количестве нейтрино и фактическом. SNO обнаружила, что приходящие от Солнца элементы могут менять тип, что объясняет, почему в Хоумстейке, где фиксировался только один тип нейтрино, были получены неверные данные. SNO также расположена в шахте на глубине 2 км.
Струна IceCube
В 1987 году в ходе двух экспериментов были обнаружены нейтрино, образовавшиеся в результате взрыва массивной звезды на расстоянии 160 тыс. световых лет. С тех пор никто не находил частиц, испускаемых звездами. Проводимый в Антарктике эксперимент "Ледяной куб" (IceCube) – одина из нескольких новых программ, нацеленных на поиск космических нейтрино, образующихся вследствие взрывов звезд и появляющихся из высокоэнергетических струй (джетов) черных дыр. Когда ее строительство завершится в 2011 году, "Ледяной куб" будет крупнейшей нейтринной обсерваторией в мире. Эксперимент включает 80 параллельных "струн", покрытых световыми сенсорами и помещенных в скважины глубиной до 2,5 км.
Детекторы ANTARES
Экспериментальный детектор ANTARES, сооружение которого закончено в прошлом году, использует 12 линий вертикальных детекторов излучения Черенкова в Средиземном море. Каждая линия включает 1,5 тонны железа, и если требуется осмотреть систему, обслуживающий персонал с помощью акустических сигналов разъединяет зажимы и освобождает линию детектора от удерживающего якоря, позволяя всплыть на поверхность. Если ANTARES будет функционировать должным образом, ученые надеются создать еще большую конструкцию, которая станет конкурентом "Ледяного куба".
Работа на Байкале
ANTARES также составит конкуренцию коллективу из России, ставящему целью построить нейтринный телескоп размером с кубический километр в водах озера Байкал в Сибири – глубочайшем резервуаре пресной воды в мире. С 1998 года детектор 40-метровой ширины работает в нем на глубине 1,1 км. Большинство из используемых "струн" аппарата составляют 72 метра в длину. Работы проходят в то время, когда водоем покрыт льдом.
ANITA
Чтобы покрыть большую территорию ледяной шапки в районе Южного полюса, эксперимент ANITA использует воздушные баллоны, несущие аппаратуру для регистрации радиоволн, создаваемых проходящими сквозь лёд нейтрино. Первый полет состоялся в 2006 году и проходил в течение 35 дней на высоте 35 км. Второй этап завершен в 2009 году. ANITA предназначена для поиска ультравысокоэнергетических частиц, энергия которых во много раз превосходит любые показатели, которых можно достичь для частиц на Земле.
Европа
Покрытый льдом спутник Юпитера Европа может быть идеальным местом для охоты за нейтрино. На поверхности луны имеется камневидный материал (на снимке в искусственных цветах - коричневый), который поднялся из-под льда или оставлен после столкновений с космическими телами. Европа приблизительно соответствует Луне по размерам и предоставляет отличное поле для регистрации столкновений частиц. Орбитальный зонд, подобно баллонам ANITA над Южным полюсом, мог бы детектировать радиоволны от сталкивающихся со спутником нейтрино.
Луна
Несколько проектов по поиску нейтрино с помощью Луны уже находятся в стадии реализации. Радиотелескопы, нацеленные на нее, должны фиксировать короткие вспышки радиоимпульсов, появляющиеся при столкновении неуловимых частиц с безжизненной лунной поверхностью. Материалы по теме: - Луну задействуют как гигантский детектор частиц;
- У Млечного Пути обнаружена галактика-соседка;
- Первая регистрация потока нейтрино в реальном времени.

Луну задействуют как гигантский детектор частиц

Охота за неуловимыми нейтрино связана с вояжами команд ученых и оборудования в Антарктику, Средиземноморье и на озеро Байкал. Но все большее количество проектов по обнаружению высокоэнергетических нейтрино используют радиотелескопы для наблюдения за Луной. Если усилия окажутся успешными, будут открыты самые мощные во вселенной ускорители частиц и даже свидетельства новой, необычной физики.
Луна
Нейтрино – фундаментальные частицы, которые легко проходят через материю, лишь изредка сталкиваясь с атомными ядрами. До сегодня единственные обнаруженные внеземные нейтрино исходили от Солнца и сверхновой звезды, названной 1987A. Но астрономы уверены, что космос полон высокоэнергетических нейтрино, источниками которых являются своеобразные космические ускорители, разгоняющие частицы до энергий, в 100 млн раз превышающих возможности самых мощных из созданных людьми ускорителей на Земле. Поскольку нейтрино столь редко взаимодействуют с материей, словить хотя бы малое их число возможно только большим количеством вещества. Предназначенные для этой цели детекторы настроены на фиксирование вспышек света, возникающих при столкновении нейтрино с атомами. Озера, океаны и глыбы льда неплохо подходят на роль помощников в поиске нейтрино, потому как свет от вспышек относительно беспрепятственно проходит сквозь них к детекторам. Однако внешний слой Лунной поверхности - плотный грунт, названный реголитом, - также может послужить научным целям. Высокоэнергетические нейтрино, сталкивающиеся с атомами реголита, должны вызывать наносекундные вспышки радиоволн, проникающих вглубь Луны на десятки или сотни метров. Нацеленный на поверхность естественного спутника телескоп потенциально способен обнаружить эти кратковременные энергетические вспышки. Но осуществить это нелегко. Помимо малой частоты столкновений частиц, замечаемых учеными всего по несколько в месяц, есть и препятствие с радиотелескопами: они подвержены действию других сигналов, включая поступающие от разнообразных технических машин на Земле. Эти помехи должны быть исключены. И размер Луны поможет преодолеть препятствие. По словам Хейно Фалке (Heino Falcke) из Университета города Наймеген (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах, "Размер имеет значение в этой игре. Только так можно поймать эти частицы". Фалке представляет команду NuMoon, которая завершила пилотный проект по поиску сигналов нейтрино на Луне в начале 2009 года с помощью Уэстерборкского радиотелескопа (Westerbork Synthesis Radio Telescope). Коллектив надеется начать исследования с более чувствительным инструментом – оснащенным суперкомпьютером телескопом LOFAR в конце этого или начале следующего года. NuMoon – не единственный проект охоты за нейтрино: RESUN использует радиотелескоп с очень большой антенной системой Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико и завершает проект 50-часового наблюдения. LUNASKA обслуживает 64-метровый радиотелескоп города Паркес. Что же они могут обнаружить? Точного ответа нет. Астрономы ожидают подтверждение существования нейтрино, потому что они нашли высокоскоростные заряженные частицы, называемые ультравысокоэнергетическими космическими лучами (UHECR), которые, взаимодействуя с оставшимися после Большого взрыва фотонами, вероятно и создают нейтрино. Работающие сейчас лунные проекты могут фиксировать только нейтрино с очень большими энергиями – как минимум в 10 или 100 раз превышающими высокоэнергетические космические лучи. На роль их источника есть несколько кандидатов: побочные продукты столкновений космических лучей и фотонов, сверхновые звезды, огромные черные дыры в центрах галактик. Среди альтернативных предположений – частицы сверхтяжелой темной материи или топологические дефекты пространства-времени. Нейтрино могут помочь разрешить тайну происхождения космических лучей. Астрономы считают, что UHECR могут приобретать высокие энергии под действием потоков материи, "убегающей" от сверхмассивных черных дыр. Лучи при взаимодействии с фотонами, оставшимися после Большого взрыва, быстро теряют энергию, поэтому должны лишаться своих свойств еще за 150 млн световых лет от Земли. Пережившие несколько столкновений нейтрино могут рассказать, как космические лучи преодолевают этот лимит. Кроме того, нейтрино не заряжены, а значит не отклоняются наполняющими пространство магнитными полями. Следовательно, можно проследить путь к их источнику. "Они скажут нам, какой вклад в формирование Вселенной космические ускорители внесли с момента Большого взрыва", - говорит Питер Горэм (Peter Gorham) из Гавайского Университета (University of Hawaii) на Маноа, который сейчас обратил свое внимание на самую крупную земную мишень для нейтрино – антарктический ледяной щит со своим экспериментальным проектом ANITA, задействующим весь Южный полюс. Достигается это при помощи воздушных шаров, несущих на борту радиоаппаратуру. Нейтрино способны преодолевать значительные расстояния во льду – большие, чем в реголите, создавая мощный сигнал при выходе наружу. Но оборудование ANITA, второй запуск которого завершился в этом году, могло оставаться в атмосфере лишь несколько недель, тогда как радиотелескопы получают данные с Луны годами. Даже если новые исследования не помогут лучше изучить нейтрино, ученые рассчитывают получить в распоряжение мощные и чувствительные инструменты. "Это часть гонки за то, чтобы увидеть нейтрино как можно скорее, - говорит Горэм. – Мы не знаем, что обнаружим, увидев эти частицы. Но этот момент начнет новую эру в астрономии". Материалы по теме: - ;
- Беватрон: историю физики частиц превращают в пыль;
- Обыкновенные чудеса Николы Теслы.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥