Частица с полуцелым спином

«Освоение космоса» – такова майская тема российского Года науки и технологий-2021. Из беспредельного космоса прилетают к нам нейтрино – нейтральные фундаментальные частицы с полуцелым спином, зафиксировать след которых учёные пытаются на дне Байкала, в Баксанской нейтринной обсерватории в Приэльбрусье и ещё в нескольких точках Земли.
Нейтрино – это сверхлёгкие частицы с очень малой массой, образующиеся в процессе ядерных реакций. Энергия нейтрино мала, но зато частица имеет колоссальную длину пробега в самых разных веществах (в воде – около ста световых лет). Практически все типы звёзд прозрачны для таких нейтрино, поэтому нейтрино является единственным «прямым» источником информации о процессах, происходящих в недрах звёзд. Каждую секунду через площадку на Земле площадью в один квадратный сантиметр проходит около 6х1010 (60 миллиардов) нейтрино, испущенных Солнцем, однако их влияние на вещество практически никак не ощущается.
В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями. Изучение нейтрино даёт возможность проводить исследования в астрофизике и космологии (науке о Вселенной).
Для регистрации нейтрино необходимо отсечь иные компоненты космических лучей. С этой целью установку (нейтринный телескоп) помещают под большой слой вещества – или толщи воды Байкала, или горы Андырчи в Баксанском ущелье Кабардино-Балкарии, где на рубеже 1970-1980-х в тоннеле были выкопаны две камеры глубокого залегания для экспериментов с атмосферными нейтрино и нейтрино от Солнца. Установки работают по настоящее время.
– Прежде учёные лаборатории галлий-германиевого нейтринного телескопа занимались только регистрацией нейтрино от Солнца – основного источника нейтрино в нашем секторе Вселенной, – поясняет заместитель заведующего БНО по научной работе, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики института физики и математики КБГУ Альберт Гангапшев. – Известны три типа нейтрино: электронные, мюонные и т-нейтрино. Но для объяснения результатов некоторых экспериментов появились гипотезы, что существует четвёртый тип – «стерильное нейтрино». Проблема состоит в том, что, будучи испущенным в виде одного типа, частица на некотором расстоянии от источника становится нейтрино другого типа. Если стерильное нейтрино существует, необходимо максимально сократить расстояние от источника нейтрино до мишени (детектора).
В начавшемся в июле 2019 года эксперименте «BEST» по обнаружению стерильных нейтрино применяется мощный искусственный источник изотопов хрома, испускающий электронные нейтрино с энергией 0,75 мегаэлектронвольт. Это эксперимент мирового уровня, который Институт ядерных исследований РАН готовил несколько лет совместно с национальным исследовательским центром «Курчатовский институт», Росатомом и Объединённым институтом ядерных исследований в Дубне. Данный источник излучения погружался в так называемую мишень – специальную двузонную ёмкость с 50 тоннами галлия – мягкого хрупкого металла, получаемого из руды с содержанием этого химического элемента менее 0,2%.
– Мишень облучалась в течение нескольких месяцев, т.е. набиралась статистика, – сообщил доктор физико-математических наук, заведующий Баксанской нейтринной обсерваторией – филиалом ИЯИ РАН, председатель учёного совета БНО Валерий Петков. – Измерительная часть эксперимента с мощным радиоактивным источником завершилась в 2020 году, в настоящее время осуществляется анализ данных. Основная цель проекта «BEST» – доказать существование стерильного нейтрино, которое может претендовать на роль тёмной материи, либо опровергнуть гипотезу на каком-то уровне.