Фізики шукають відповідь на питання «Чому ми тут?»: Чи допоможе 10-річне вивчення нейтрино?
Фізика елементарних частинок стоїть на порозі революції. Вчені всього світу, озброївшись передовими технологіями та амбітними планами, готуються до нового етапу у вивченні нейтрино — найзагадковіших і невловних частинок у Всесвіті. Ці крихітні «привиди», які пронизують космос зі швидкістю, близькою до світлової, можуть бути ключем до розуміння фундаментальних законів Всесвіту, але поки що вони ставлять більше запитань, ніж відповідей науці.
Невидимі мандрівники та їх запахи
Уявіть собі настільки маленькі частинки, що трильйони з них щосекунди проходять через ваше тіло, не залишаючи слідів. Це нейтрино — всюдисущі «невидимі», що народжуються в надрах Сонця, при радіоактивному розпаді, в земній корі й навіть в прискорювачах частинок. Вчені знають, що існує три типи, або «смаки» нейтрино, які можуть трансформуватися один в одного під час своєї космічної подорожі. Але нещодавні експериментальні дані натякають на існування іншого, більш загадкового «аромату» — стерильних нейтрино, які, схоже, ігнорують усі відомі фундаментальні взаємодії, крім гравітації.
Аномалії, що призводять до нових відкриттів
У науці часто буває так, що найцікавіші відкриття народжуються з незрозумілих аномалій. Саме ці аномалії в поведінці нейтрино стали відправною точкою для нового витка досліджень. Міжнародна колаборація вчених, які об’єднали зусилля в рамках масштабних проєктів на кшталт Snowmass 2021/2022, зосереджена на пошуку відповідей на найактуальніші питання, пов’язані з цими невловимими частинками. Одним з основних напрямків пошуку є підтвердження існування стерильного нейтрино і його властивостей. Якщо ця частинка дійсно існує, це може означати, що Стандартна модель фізики елементарних частинок повинна бути переглянута і привести до нових теорій, що описують фундаментальні взаємодії.
У пошуках відповідей на фундаментальні питання
Інтерес до нейтрино не обмежується теоретичною фізикою. Вивчення цих частинок може пролити світло на деякі з найбільш фундаментальних питань космології та астрофізики. Однією з таких проблем є асиметрія матерії та антиматерії у Всесвіті. Чому наш світ складається переважно з матерії, хоча згідно з теорією Великого вибуху матерія й антиматерія повинні були утворитися в рівних кількостях? Нейтрино можуть затьмарити відповідь на цю загадку, забезпечивши відсутню ланку в ланцюжку розуміння еволюції Всесвіту.
DUNE і Hyper-K: гігантські детектори для невловимих частинок
Для розв’язання цих проблем потрібні інструменти правильного масштабу. Саме тому в різних частинах світу будуються гігантські підземні детектори нейтрино, такі як DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) в США і Hyper-Kamiokande (Hyper-K) в Японії. Ці багатомільярдні проєкти є справжніми інженерними дивами, здатними вловити мізерно малу кількість нейтрино, що проходять через них. DUNE, наприклад, використовуватиме потужний пучок нейтрино, випущений з Fermilab, який пролетить 1300 кілометрів через земну кору до детектора в Південній Дакоті. Це дозволить вченим вивчати коливання нейтрино з безпрецедентною точністю і, можливо, виявляти сліди стерильних нейтрино.
Наука як співпраця
Дослідження нейтрино є не тільки передовою наукою, а й прикладом успішного міжнародного співробітництва. У таких проєктах, як DUNE і Hyper-K, беруть участь тисячі вчених, інженерів і техніків з усього світу, об’єднаних спільною метою розгадати таємниці Всесвіту. Ця колосальна робота вимагає не тільки фінансових вкладень, а й координації зусиль, обміну знаннями й досвідом, що робить її одним з найяскравіших прикладів сучасної науки в дії.
Майбутнє фізики нейтрино
У найближчі десятиліття фізика нейтрино обіцяє стати однією з найбільш динамічних областей науки, що розвиваються. Нові експерименти, такі як DUNE і Hyper-K, відкриють вікно в незвіданий світ елементарних частинок і, можливо, дадуть відповідь на питання, які людство задає собі протягом століть: з чого складається Всесвіт, як він з’явився і як еволюціонує? Нейтрино, ці невловимі мандрівники космосу, можуть стати провідниками до нових знань, змінюючи наше розуміння фундаментальних законів природи і нашого місця у Всесвіті.
