В китайском городе Кайпин, в гранитной пещере глубоко под лесистыми холмами южного Китая рабочие вскоре завершат строительство 600-тонной сферы, которая может раскрыть некоторые из самых сокровенных тайн современной физики.
Сфера из оргстекла является центральным элементом подземной нейтринной обсерватории Цзянмэнь, или JUNO, объекта стоимостью 300 миллионов долларов, предназначенного для измерения нейтрино — мельчайших субатомных частиц, известных физикам.
Иногда называемые «частицами-призраками», нейтрино невидимы и почти не имеют массы, и они движутся со скоростью, близкой к скорости света. Они существуют в трех массовых состояниях, самое большое из которых, по оценкам, имеет одну миллионную массу электрона. Нейтрино могут проходить сквозь Землю и другую материю, не взаимодействуя с ней, что является большой частью причины, по которой они до сих пор остаются неуловимыми для физиков.
Их понимание может помочь разгадать загадочный дисбаланс в основе теории Большого взрыва: согласно стандартной модели физики, это событие должно было произвести равное количество материи и антиматерии. Но первой гораздо больше, и ученые не знают почему.
Целью JUNO и других нейтринных обсерваторий, которые, как ожидается, выйдут в строй в ближайшие годы, является измерение различий в массах нейтрино. Поскольку частицы настолько малы, это трудно сделать точно. JUNO был построен на глубине 2300 футов под поверхностью Земли, чтобы защитить изучаемые нейтрино от помех со стороны космических лучей.
Чтобы добраться до сферы обсерватории, нужно медленно ехать по канатной дороге, которая ползет со скоростью около 4 миль в час по длинному наклонному туннелю, высеченному в граните. Перед началом работы в следующем году сфера и подземная зона вокруг нее будут запечатаны и заполнены жидкостью.
Экскурсия к сфере
Поездка на фуникулере вниз к сфере JUNO длилась около 15 минут, при этом холодные белые огни отбрасывали контрастные тени на скалу. В конце туннеля посетителям выдавали каски и полностью белые комбинезоны с пластиковыми ботинками для ног. Затем каждый входил в блок воздуходувки, где вентиляторы посылали импульс воздуха для очистки потенциального загрязнения.
Триллионы нейтрино проходят через наши тела каждую секунду. Солнце производит их посредством термоядерного синтеза; то же самое делают атомные электростанции. Некоторые происходят от взрывов сверхновых в космосе. Нейтрино образуют пары с антинейтрино, которые, по мнению ученых, отражают их поведение.
Итак, JUNO предназначен для захвата антинейтрино, в частности тех, которые испускаются двумя атомными электростанциями, расположенными примерно в 33 милях от обсерватории.
Сфера JUNO высотой с 13-этажный дом будет заполнена специальной жидкостью, называемой «сцинтиллятор», и погружена в цилиндр с очищенной водой, сказал Ван Ифан, руководитель проекта и директор Китайского института физики высоких энергий.
Когда антинейтрино попадают в жидкость, они запускают химические процессы, которые вызывают кратковременный проблеск света, который могут уловить датчики, расположенные по всей поверхности сферы.
«Событие вызовет вспышку длительностью всего около 5 наносекунд, которую мы надеемся запечатлеть с помощью тысяч фотоумножительных трубок, окружающих сферу», — сказал Ван, одетый в каску, пока рабочие позади него устанавливали трубки. «Мы надеемся запечатлеть 60 событий в день».
Благодаря такому подходу JUNO сможет измерять разницу в массах антинейтрино примерно в 10 раз лучше, чем предыдущее оборудование.
Первая из трех новых нейтринных обсерваторий
JUNO является частью амбициозных усилий Китая стать глобальной научной державой. В своей речи в этом году президент Си Цзиньпин изложил планы по превращению страны в гиганта науки и технологий к 2035 году.
Ожидается, что JUNO станет первой из трех нейтринных обсерваторий следующего поколения, которые откроются в течение следующих 10 лет, что делает ее своего рода острием новой эры в физике. В Японии обсерватория Hyper-Kamiokande должна открыться в 2027 году. А поддерживаемая США программа под названием Deep Underground Neutrino Experiment, или DUNE, призывает к тому, чтобы ускоритель частиц отправил пучок нейтрино под землей из Иллинойса в Южную Дакоту, начиная с 2031 года.
Все три будущих обсерватории планируют использовать разные технологии для обнаружения частиц, поэтому они одновременно являются и дополнениями, и конкурентами. Каждая из них подразумевает обширное международное сотрудничество, призванное продвигать область вперед, порождать новые побочные технологии и обучать новую волну ученых.
В некоторой степени способность каждой обсерватории отвечать на ключевые вопросы физики будет зависеть от того, насколько хорошо исследователи смогут работать между проектами и друг с другом. Однако среди некоторых ученых по всему миру растет беспокойство, что растущая геополитическая напряженность между США и Китаем — и вызванное этим ухудшение их научных отношений — может помешать прогрессу.
В последние годы США проводят политику, направленную на то, чтобы помешать китайским ученым переносить американские технологии на родину и помешать Китаю переманивать талантливых ученых.
Ван сказал, что США отклонили его запросы на выдачу виз в 2022 и 2023 годах без объяснения причин и что это ограничило участие США в проекте JUNO.
Со стороны США становится все сложнее получать финансирование для сотрудничества с китайскими коллегами, а китайскимучёным стало довольно сложно получить визу в США.
Разгадывая тайны нейтрино
Данные, полученные на JUNO, могут сыграть важную роль в разгадке ключевых тайн о том, как и почему нейтрино меняют форму сильнее, чем другие субатомные частицы.
Нейтрино могут колебаться или трансформироваться между тремя так называемыми «ароматами» во время своего путешествия — мюон, тау и электрон. Например, Солнце посылает электронные нейтрино к Земле, но иногда они прилетают как мюонные нейтрино. Когда нейтрино взаимодействуют — что случается очень редко — они останавливаются на определенном аромате.
Кроме того, ученые полагают, что нейтрино движутся в одном из трех различных массовых состояний и что состояния помогают определить вероятность того, что нейтрино взаимодействует как определенный аромат. Но пока не ясно, какое из состояний имеет наибольшую массу.
Ученые также полагают, что нейтрино и антинейтрино могут по-разному трансформироваться в процессе своего перемещения, и эти различия могут быть причиной дисбаланса физике между материей и антиматерией во Вселенной.
Если это так, то более подробная информация о массах и колебаниях нейтрино и антинейтрино могла бы помочь исследователям понять, не хватает ли страниц в стандартной модели физики — своде правил для частиц и их взаимодействия — или ранее неизвестные частицы или силы могут играть невидимую роль.
Наша прекрасная теория реальности, стандартная модель, не является окончательной теорией. Обнаружили, что нам нужно больше знать о нейтрино, чтобы ответить на вопросы, на которые стандартная модель ответить не может.
Китай стремится выиграть гонку за определение иерархии масс нейтрино, сделать это раньше США и других стран.
Если JUNO объяснит историю масс нейтрино до того, как DUNE выйдет в эксплуатацию, возглавляемый США проект сможет по-другому взглянуть на этот вопрос и подтвердить результаты JUNO.
План DUNE заключается в измерении нейтрино, когда они покидают объект в Иллинойсе, после чего они пройдут 800 миль по Земле, где они смогут взаимодействовать и колебаться. Как только они прибудут в Южную Дакоту и их можно будет обнаружить, ученые смогут сравнить смесь ароматов нейтрино в начале и в конце их путешествия. Однако проект имел задержки и перерасход средств.
Богатый набор данных JUNO, который будет единственным в своем роде… сыграет ключевую роль в определении упорядочения масс до 2030 года, как сам по себе, так и в сочетании с другими экспериментами.
Однако несколько ученых, стоящих за проектами нейтринной обсерватории, признали, что невозможно предсказать практическую, земную пользу исследования. В будущем, предположили они, это может дать начало новым технологиям, стимулировать инновации в области вычислений с интенсивным использованием данных и продвинуть науку об ускорителях частиц.