Нейтрино, образующиеся при взрыве сверхновой звезды, могут оказаться настолько экзотическими частицами, что позволят ученым выйти за пределы Стандартной Модели. Успеют ли наши детекторы подготовиться к очередной вспышке сверхновой звезды?
Ясной ночью, наблюдая за звездами на черном небе, на ум приходит одно слово: безмятежность. Кажется, что далёкий свет звезд говорит о постоянстве и стабильности. И в то же время, скрытый от невооруженного глаза, космос — это место бесконечных катастроф. Каждые 10 секунд или около того где-то во Вселенной звезда завершает свой жизненный путь и разрушается, а затем взрывается с ужасающей силой.
Хотя такие явления происходят довольно часто, мы до сих пор не до конца понимаем, что именно вызывает коллапс сверхновых. Но есть основания полагать, что ключевую роль в этом процессе играют неуловимые частицы, так называемые нейтрино. Наблюдение за ними во время немыслимо экстремальных процессов внутри сверхновой может привести к обнаружению экзотической материи и сил, которые откроют перед нами более глубокую теорию физики частиц. "В нейтрино сверхновых содержится очень много информации, - считает Йоахим Копп, физик-теоретик из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия).
Проблема в том, что сверхновые, расположенные достаточно близко к Земле, и потенциально способные раскрыть свои секреты, встречаются крайне редко. Последняя произошла в 1987 году, и 25 нейтрино, которые тогда удалось уловить, до сих пор не дают покоя исследователям. И это объясняет, почему многие астрофизики так рады новому поколению нейтринных детекторов, которые сегодня строятся по всему миру.
Предполагается, что, когда следующая близлежащая звезда станет сверхновой, мы будем во всеоружии. Правда, теперь это гонка со временем, потому что это событие уже давно произошло. "Вы можете себе представить, как это будет потрясающе, когда мы действительно будем наблюдать один из таких всплесков", - говорит Кейт Шолберг, физик-нейтринолог из Университета Дьюка в Северной Каролине. "И как это будет ужасно, если мы пропустим этот момент".
Детектор нейтрино
Нейтрино были теоретически предсказаны задолго до того, как были обнаружены экспериментально. В 1930 году Вольфганг Паули продемонстрировал, что определенная форма радиоактивного распада, известная как бета-распад, как бы теряет энергию, что является явным нарушением известного закона физики, согласно которому энергия не возникает из ничего и не исчезает в никуда, а может только превращаться из одной формы в другую. Чтобы "вернуть" Вселенную в нормальное состояние, Паули выдвинул гипотезу, согласно которой пока еще не обнаруженная частица должна уносить с собой эту самую энергию. Ее назвали нейтрино - по-итальянски "маленький нейтральный", - поскольку считалось, что она не имеет массы и заряда.
Именно поэтому нейтрино называют призрачными частицами. Десятки миллиардов из них ежесекундно проходят через кончик вашего пальца, оставаясь незамеченными. Они проявляют себя только тогда, когда время от времени взаимодействуют с другими частицами посредством слабых ядерных сил. Это также означает, что их трудно исследовать в рамках экспериментов по физике элементарных частиц. Так что знаем мы о них крайне мало.
И тем не менее, эти столь "стеснительные" частицы, возможно, являются ключом к теории, которая придет на смену Стандартной Модели физики элементарных частиц - нашему нынешнему лучшему описанию фундаментальных частиц и сил природы, которое, как мы знаем, не является совершенным. Согласно стандартной модели, нейтрино — это безмассовые частицы, которые бывают трех разных видов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Однако ранние эксперименты с нейтрино, которые отслеживали версии этих частиц, порождаемых солнцем, а также космическими лучами в верхних слоях земной атмосферы, обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного типа в другой. В связи с этим возникла проблема, поскольку такое изменение формы возможно только при наличии у них массы, происхождение которой нельзя объяснить с помощью стандартной модели.
В попытках объяснить возникновение так называемых нейтринных осцилляций физики придумали новую концепцию, представляющую собой некое дополнение к стандартной модели. Она подразумевает наличие у этих частиц трех дискретных значений массы. В зависимости от энергии нейтрино и расстояния, которое оно преодолело, можно рассчитать вероятность того, что оно изменит свой тип. Такие значения зависят от масс, но, как ни удивительно, три возможные массы не соотносятся с тремя типами частиц. Физикам пока неизвестны и значения этих масс. Таким образом, странные способы передвижения нейтрино и подсказки, которые они могут содержать о взаимодействии с давно разыскиваемыми гипотетическими частицами, продолжают ускользать от взора ученых.
Учитывая это, физики элементарных частиц заняты строительством нескольких многомиллиардных нейтринных экспериментов по всему миру. В Соединенных Штатах это Глубокий подземный нейтринный эксперимент (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), в Японии - Гипер-Камиоканде (Hyper-K), а в Китае - Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (JUNO). Эти обсерватории, которые начнут работать в ближайшие десять лет, будут испускать интенсивные пучки нейтрино, созданные в ускорителях частиц, через огромные резервуары с жидкостью. Периодические вспышки света, исходящие из этих резервуаров, будут сигнализировать о взаимодействии нейтрино с жидкостью. Изменяя энергию пучка нейтрино и определяя в каждом эксперименте расстояние, которое преодолел пучок, исследователи надеются точно определить, как нейтрино меняют свою форму.
Эти резервуары с жидкостью также восприимчивы к нейтрино, прибывающим из космоса. Огромная энергия, высвобождающаяся при разрушении звезды, производит гораздо больше нейтрино, чем любой земной ускоритель частиц: 10 в 45 степени, если быть точным. Более того, энергия, передаваемая таким нейтрино, существенно превосходит все, что можно сделать на Земле, что позволяет по-новому взглянуть на то, как нейтрино эволюционируют. "[Нейтрино в сверхновых] — это тот вид нейтрино, обнаружение которых вызывает у меня наибольшее волнение, - говорит Шолберг, сотрудник DUNE.
Вместе с тем это не просто игра с цифрами. Сверхплотные условия внутри ядра коллапсирующей сверхновой звезды также потенциально способны открыть новые частицы и взаимодействия, которые наложат свой отпечаток на сигналы таких событий. Возьмем, к примеру одну из последних близлежащих сверхновых, SN1987a, свет от которой внезапно появился в ночном небе 23 февраля 1987 года. В то время ученые только начинали строить нейтринные детекторы, поэтому приборы в Японии, Соединенных Штатах и тогда еще Советском Союзе зафиксировали лишь небольшое количество нейтрино. "Это было потрясающее открытие. Мы получили огромное количество информации, но это была всего лишь пара десятков нейтрино, - говорит Шолберг. Тем не менее это позволило физикам установить новые рамки существования всех видов новых типов теоретических частиц, включая аксионы, темные фотоны и другой тип нейтрино, известный как "стерильное нейтрино. И все они претендуют на роль вещества, составляющего темную материю, таинственный источник гравитации, о котором говорят ученые, объясняя свои наблюдения за тем, как галактики вращаются, сжимаются и вообще формируются".
"Только представьте себе, сколько нового мы сможем узнать из десятков тысяч событий, которые произойдут при взрыве следующей сверхновой звезды в нашей галактике", - говорит Копп.
Но есть и проблема. По сравнению с ускорителями частиц, которые испускают тщательно контролируемые пучки нейтрино, ядра сверхновых хаотичны и недостаточно изучены. Только точно смоделировав взрывы звезд, физики смогут понять смысл полученных данных о ближайшей сверхновой - и уже есть признаки того, что в этих компьютерных симуляциях не хватает одного важного компонента.
Вспышка сверхновой неизбежно происходит, когда у гигантской звезды заканчивается ядерное топливо. В считанные миллисекунды некогда неистовое звездное ядро, диаметр которого как правило равен диаметру Земли, перестает вырабатывать энергию и превращается в шар диаметром всего 50 километров. При этом электроны, окружающие ядро, устремляются к центру атома, где они соединяются с протонами и порождают нейтроны. В результате каждой такой реакции образуется нейтрино, которое улетает в космос. "Нейтрино — это фактически доминирующий механизм потери энергии в сверхновой", - утверждает Питер Грэм, физик частиц из Стэнфордского университета (Калифорния).
Но когда ученые пытаются смоделировать вспышку сверхновой с коллапсом ядра на суперкомпьютере, звезда нередко не взрывается. Проблема в том, что, когда ядро разрушается, остальная часть звезды "обрушивается" на него. Когда этот материал попадает в ядро, возникает ударная волна, которая начинает распространяться наружу сквозь падающее вещество. Если эта ударная волна достигает поверхности, звезда взрывается, и рождается сверхновая. Проблема в том, что окружающая материя падает настолько быстро, что движущаяся наружу ударная волна "рассеивается и гаснет". Поэтому в современных моделях она почти никогда не достигает поверхности звезды, а соответственно, не происходит и рождения сверхновой. Все это, говорит о том, что в нашем понимании того, как происходят такие процессы, чего-то не хватает, считают ученые.
В последние годы физикам-теоретикам повезло несколько больше. Если позволить крошечному проценту выброшенных нейтрино быть поглощенным ударной волной, то эта волна приобретает достаточно энергии, чтобы продолжить движение и привести к взрыву звезды. Однако пока попытки сопоставить моделирование с реальными событиями не увенчались особым успехом.
В частности, согласно анализу, опубликованному в июне этого года, самые лучшие варианты моделирования оказались несопоставимы со сверхновой SN1987a. "Мы подумали, что раз все современные теории более или менее согласуются друг с другом в отношении [количества нейтрино, образующихся в сверхновой], то, конечно, они должны совпадать с данными SN1987a", - говорит Ширли Вейши Ли из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе. "К нашему удивлению, похоже, что простой подсчет обнаруженных нейтрино - самое простое, что можно сделать, - показал определенные расхождения".
"Современные методы моделирования показывают, что в 1987 году мы должны были обнаружить гораздо больше нейтрино. Как ни странно, чем сложнее становились наши компьютерные симуляции сверхновых, тем больше они отличались от единственной реальной сверхновой, данные о которой мы имеем. Похоже, что эта информация может многое сказать о современных симуляциях", - говорит Ли.
