Нейтрино — самые нелюдимые частицы во Вселенной. Они проносятся сквозь Землю, сквозь наши тела и вылетают с другой стороны, как будто ничего не произошло, — потому что для них почти ничего и не происходит. Эти невидимые частицы — одни из самых труднодетектируемых объектов в природе, но ученые продолжают находить способы зафиксировать следы их прохождения, открывая новые окна в космос и его самые экстремальные среды.
Эта область оказалась на удивление продуктивной для чего-то, построенного на частицах, которые отказываются взаимодействовать с чем-либо. Исследования нейтрино способствовали получению пяти Нобелевских премий по физике. В этом году физик Фрэнсис Халцен получил награду «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».
Джордж Фуллер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, десятилетиями изучает ядерную физику, астрофизику частиц и космологию. Он также сотрудничал с Халценом над ранней научной статьей об IceCube. Его экспертиза помогает объяснить, что делает нейтрино такими необычными — и почему ученые построили огромную обсерваторию глубоко во льдах Антарктиды для их изучения.
Нейтрино относятся к группе, известной как элементарные частицы, которые, по мнению ученых, не имеют более мелких составляющих. Они бывают трех видов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В отличие от электрически заряженных частиц, нейтрино не имеют электрического заряда. Масса у них есть, но она чрезвычайно мала — потенциально примерно в 10 миллионов раз меньше массы электрона. Их точные массы остаются неизвестными, как и механизм, ответственный за их возникновение.
Еще одна примечательная характеристика — способность проходить сквозь материю почти без сопротивления. Поскольку нейтрино так редко взаимодействуют с другими частицами, они могут преодолевать огромные расстояния со скоростями, близкими к скорости света.
Нейтрино возникают во многих разных местах, включая Солнце, далекие области космоса и источники, которые ученым еще предстоит идентифицировать. Они также поразительно многочисленны. По оценкам, Вселенная содержит примерно 10^89 нейтрино, что эквивалентно примерно одному миллиарду на каждый существующий атом.
«Нейтрино — поистине призрачные частицы, — заявил Фуллер. — Их трудно остановить. Их трудно поймать. Откуда мы вообще знаем, что они существуют или где они находятся?»
Несмотря на их неуловимую природу, нейтрино иногда взаимодействуют с материей посредством фундаментальной силы, известной как слабое взаимодействие. Эта сила примерно на 20 порядков слабее электромагнетизма. Такие взаимодействия могут заставлять нейтрино рассеиваться или поглощаться, давая ученым способ их обнаружения. Однако эти события настолько редки, что для их наблюдения требуется исключительно чувствительное оборудование.
Их способность проходить сквозь плотный материал также делает нейтрино ценными посланниками из иначе недоступных областей Вселенной. Они могут вырываться из сред вокруг коллапсирующих звезд и черных дыр, неся информацию, которую другие формы излучения могут не раскрыть.
Масштаб этой невидимой активности ошеломляет. Примерно 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела каждую секунду, почти полностью незамеченными.
«Поскольку взаимодействие настолько слабое, нейтрино могут проходить почти через что угодно, — сказал Фуллер. — Световые годы свинца — в зависимости от их энергии, они пройдут прямо сквозь него».
Поиски нейтрино начались задолго до того, как появились технологии для их наблюдения. В 1930-х годах физик Вольфганг Паули предположил, что неизвестная частица может объяснить, почему при некоторых формах радиоактивного распада, казалось, исчезала энергия. Первоначально он использовал другое название для гипотетической частицы (в то время он называл их «нейтронами»).
Паули понимал, насколько трудно будет проверить его идею. Он знаменито признал проблему, сказав: «Я совершил ужасную вещь: я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».
На протяжении десятилетий ней