Подземный детектор поможет изучить нейтрино и чёрные дыры

Проект детектора

К 2022 году американские учёные планируют запустить новый детектор нейтрино — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE ^[1]). Он расположится под землёй в бывшем золотом руднике Хоумстейк в штате Южная Дакота. При помощи этого детектора физики будут изучать свойства нейтрино ^[2] — как рождённых искусственно, так и испущенных звездой при её коллапсе в чёрную дыру.

В 1960-е годы астрофизик Раймонд Дэвис уже размещал в руднике лабораторию для наблюдения солнечных нейтрино. Грядущий детектор будет намного мощнее. Несколько килотонн жидкого аргона в ёмкости диаметром порядка 12 м будут взаимодействовать с пролетающими сквозь него нейтрино.

В основном это будут частицы, испущенные из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, также известной, как Фермилаб ^[3]. Она расположена на расстоянии в 1300 км от будущего детектора DUNE. Но часть времени планируется отдать и под изучение космических нейтрино.

Хотя теоретики давно рассчитали в общем, как должны образовываться чёрные дыры, но никто никогда не наблюдал этого процесса. Известно, что чёрная дыра может образоваться после коллапса звезды массой больше восьми солнечных. Но как именно это происходит? В какой момент звезда становится чёрной дырой? Как часто звёзды превращаются в чёрные дыры? Вместо этого взрыв может закончится образованием нейтронной звезды.

Известно, что в момент коллапса звезды должен зародиться мощный поток нейтрино, которые сумеют покинуть место катастрофы до того, как гравитация достигнет критических показателей. После этого уже ничто не сможет вырваться за пределы чёрной дыры. В результате, на детекторе должна зафиксироваться картина мощного всплеска в потоке нейтрино, который затем резко прервётся. Это и должно стать отпечатком рождения новой чёрной дыры.

Единственный взрыв сверхновой, который был зарегистрирован детекторами нейтрино, произошёл в 1987 году. К сожалению, данных по взрыву было недостаточно, поэтому неизвестно, что случилось после этого – образовалась ли чёрная дыра или нейтронная звезда. Если же такое событие произойдёт не очень далеко от нас, детектор DUNE, по словам представителя проекта Марка Томпсона, сможет зафиксировать до 10000 нейтрино.

Нейтрино бывают трёх видов, у каждого из которых есть античастица – это электронные, мюонные и тау-нейтрино. Существующие детекторы нейтрино способны фиксировать электронные антинейтрино. Будущий DUNE единственный будет способен улавливать электронные нейтрино ^[4]благодаря использованию аргона,- поясняет Кейт Шолберг, профессор физики из Университета Дьюка.

Конечно, чем больше детекторов зафиксируют взрыв сверхновой, тем больше мы узнаем про этот удивительный процесс. В Китае учёные сейчас работают над созданием детектора JUNO, в Японии планируют строительство большого детектора Hyper-K, в России постепенно наращивают мощность глубоководного нейтринного телескопа «Дубна ^[5]». Если все эти аппараты смогут уловить последствия происходящего относительно недалеко коллапса, это будет праздник для учёных.

Кроме того, новый детектор, возможно, даст ответы и на вопросы о природе самих нейтрино. С его помощью можно будет изучать их осцилляцию и, возможно, ответить на вопрос, являются ли они майорановскими фермионами ^[6]– то есть, своими собственными античастицами.

Автор: SLY_G

Источник ^[7]