Всё верно, ежесекундно тело человека сквозят около сотни триллионов солнечных нейтрино. Мы их почти никогда не ощущаем. Но способны, в некотором смысле, косвенно почувствовать :)
Чтобы понять как – разберёмся что вообще такое нейтрино, чем интересны, как регистрируются и как Солнце наблюдается под горизонтом сквозь планету!
Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально.
Цитату приписывают Вольфгангу Паули, который пытался спасти фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и углового момента в 1930 году. К тому моменту экспериментально было выяснено, что в процессе радиоактивного распада нестабильных ядер крамольно не сохраняется энергия (да и ведёт себя не дискретно, как ожидалось). Паули предложил существование в ядрах неизвестных электрически нейтральных лёгких частиц, которые и уносят недостающую энергию. А частицы те едва ли взаимодействуют, вот и не регистрируемы и вряд ли когда-либо будут. В общем, очередной костыль в теории (вроде тёмной материи), чтобы всё работало и физика не сломалась.
Чуть позже Ферми построил первую теорию слабых взаимодействий, где бета-распад был с участием тех самых неуловимых частиц, окрещённых нейтрино. А в 1955-1956 гг. нейтрино (по правде сказать – электронное антинейтрино; β-частицы – электроны и позитроны) обнаружили экспериментально, за что в 1995 году присудили Нобелевскую премию (открытие нейтрино). Теоретикам этого показалось мало, и они обосновали и выдвинули гипотезу о существовании мюонного нейтрино, регистрация которых была проведена в начале 1960-х годов. Разумеется, в ходе очень сложных и тонких экспериментов уровня Нобелевской премии, которую вручили в 1988 году (открытие нейтрино второго типа – мюонных). Наконец, не стали обделять тау-частицу (открытую в 1975 году) собственным нейтрино, и сейчас могучая Стандартная модель элементарных частиц (твёрдо стоящая на базе многократных экспериментов и теоретически предсказывающая свойства тысяч различных процессов среди элементарных частиц) включает в себя нейтральные лептоны трёх видов – электронные, мюонные и тау-нейтрино.
Выделим лишь несколько самых любопытных фактов про нейтрино.
- Нейтрино – вторая по распространённости из известных зарегистрированных частиц (после фотонов). У нейтрино отсутствуют электрический заряд (то есть, частицы не участвуют в электромагнитных взаимодействиях) и цвет (неподвластны квантовой хромодинамике). Остающиеся слабое и гравитационное взаимодействия соответственно в миллион и в 10³⁸ раз менее интенсивны, чем сильное взаимодействие. Согласно современной космологии – Вселенная заполнена реликтовыми нейтрино. И несмотря на экстремально слабое взаимодействие с веществом, нейтринный газ, вообще говоря, влияет даже на формирование крупномасштабной структуры (галактики, скопления галактик).
- Раз нейтрино слабо взаимодействуют, значит они обладают феноменальной проникающей способностью. Недаром Паули сомневался, что их когда-либо обнаружат (зря). Сечение взаимодействия нейтрино с веществом столь малó (σᵥ ~ 10⁻⁴⁴ см²), что при энергии нейтрино Eᵥ ~ 1 МэВ позволяет частице просквозить слой свинца в десятки парсеков. Что уж говорить про тело человека или даже планету – нейтрино пронзают нас вместе с Землёй, практически не реагируя. Аналогично и Солнце является прозрачным для нейтрино. Ощутимым препятствием являются такие экстремальные объекты как нейтронные звёзды. Они за счёт критических плотностей вещества уже вполне способны задержать и даже удерживать внутри себя неуловимые нейтрино. То есть, регистрировать нейтрино сложно, но зато они прилетают оттуда, куда так просто не заглянуть.
- Кажется, нейтрино нарушают CP-инвариантность (зарядовую чётность). То есть появились экспериментальные свидетельства, которые всё же требуется статистически надёжнее закрепить, что нейтрино ведут себя отлично от антинейтрино. Это может послужить ключом к пониманию, почему в нашей Вселенной вещества оказалось больше антивещества. Любопытно и то, что во всех экспериментах наблюдаются нейтрино, у которых спин противоположен направлению движения. Такие частицы называют левовинтовыми. Антинейтрино же являются правовинтовыми – их спин сонаправлен с импульсом. Но это наблюдение накладывает ограничение на взаимодействие с бозоном Хиггса, что обостряет проблему происхождения массы у нейтрино.
- Ещё в 1919 Эддингтон впервые высказал идею, что Солнце генерирует энергию в своих недрах в результате реакций ядерного синтеза. Экспериментально подтверждено, что нейтрино в изобилии рождаются в ядерных реакциях на Солнце и в ядерных реакторах. Из теории, подтверждённой астрономическими наблюдениями, мы знаем, что при вспышках Сверхновых, вызванных гравитационным коллапсом ядра звезды, выделяющаяся гравитационная энергия уносится по бóльшей части нейтрино и антинейтрино всех трёх ароматов.
Нейтрино также образуются в атмосфере Земли при бомбардировке космическими лучами.
В 2020 году был получен интересный результат с помощью наблюдений нейтринной обсерватории IceCube и радиотелескопа РАТАН-600 САО РАН: во время регистрации нейтрино наблюдались вспышки активности в блазарах (это далёкие активные ядра галактик с направленными на наши телескопы выбросами горячей плазмы). Поскольку нейтрино не отклоняется магнитными полями – это позволяет локализовать источник (в отличие от заряженных частиц).
Единственный вариант рождения нейтрино очень высоких энергий – это если в случае взаимодействия элементарных частиц участвуют протоны, разогнанные до околосветовых скоростей. А разогнать протон до почти световых скоростей нетривиально (в 1800 раз сложнее, чем электрон), тут задействованы космические природные ускорители. Роль которых выполняют активные ядра галактик. Протоны ускоряются вдоль струйного выброса газа от сверхмассивной чёрной дыры, они порождают сонаправленно распространяющиеся нейтрино. Это свежие интригующие результаты, которые ещё предстоит объяснять.
- Суммируя вышесказанное, поскольку Солнце является источником нейтрино, для которых наша планета прозрачна – значит, мы можем наблюдать Солнце сквозь Землю!
Это нейтринное изображение Солнца (ширина кадра 90° при размере Солнца на небе в полградуса). Прямое доказательство идущих в ядре Солнца термоядерных реакций. О таком мечтать было немыслимо каких-то полвека назад (ни Паули, ни Ферми не поверили бы увиденному).
В недрах Солнца происходят практически невероятные процессы (мы обязаны им жизнью, подробнее!) синтеза гелия из водорода. Четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс производит два позитрона и два нейтрино. Нейтрино беспрепятственно покидают недра Солнца – мы видим их на изображении выше. Позитроны, будучи античастицами электронов, немедленно аннигилируют с электронами в плазме Солнца, производя фотоны высокой энергии (гамма-лучи). Свет постепенно мигрирует к поверхности Солнца, откуда распространяется к Земле, будучи видимым (подробнее почему наш глаз его видит).
Если нейтрино спокойно проходят сквозь Землю – как же их регистрировать? Исчезающе малое сечение взаимодействия компенсируется ошеломляющим количеством частиц. Солнце ежесекундно производит 10³⁸ нейтрино. Они распространяются во всех направлениях, так что сквозь тело человека проходит около 100 триллионов солнечных нейтрино. И если построить достаточно большой детектор, тогда некоторое количество частиц всё же провзаимодействуют с веществом, и мы сможем их зарегистрировать. Чем больше детектор – тем выше вероятность регистрации.
И самый большой детектор – это IceCube. В прямом смысле куб льда на Южном полюсе. Объёмом более 1 км³. На глубине нескольких км. При довольно высоком давлении лёд на такой глубине становится прозрачным для излучения. В него вморожены гирлянды фотоэлектронных фотоумножителей. Исчезающе малая часть общего потока нейтрино всё же взаимодействует с молекулами воды посредством слабого взаимодействия. При взаимодействии нейтрино высоких энергий могут превратиться в массивный лептонный аналог – электрон, мюон или тау. Если нейтрино становится тау, то оно почти мгновенно распадается, но мюон или электрон будут продолжать проходить сквозь лёд, излучая свет, который движется в среде медленнее самой частицы, формируя световой конус.
Получается электромагнитный аналог звукового удара. В детекторах может быть и жидкая вода, не обязательно лёд. Благодаря черенковскому излучению обнаруживают и нейтрино и направление, откуда оно пришло. Электроны сильно взаимодействуют с молекулами воды, а вот мюоны могут путешествовать на километры без изменения курса. Вообще, в детекторах много шума – космические лучи при столкновении с молекулами атмосферы образуют множество частиц, включая мюоны и нейтрино (а они – источники черенковских конусов!). Для уменьшения шумов детекторы стараются размещать глубоко под землёй. Почти все атмосферные шумы приходят сверху, потому важно сосредотачиваться на сигналах снизу, это исключит атмосферные мюоны. Таким образом, нейтринные обсерватории – единственные, где требуется дождаться захода небесного светила под горизонт для его наблюдения сквозь недра планеты.
- Экспериментально установлено, что все три типа нейтрино самопроизвольно превращаются друг в друга (так называемые осцилляции). Это, к слову, не описывается Стандартной моделью. Именно в нейтринных осцилляциях наблюдают нарушение CP-инвариантности. И именно они доказывают наличие массы у нейтрино, что делает его фермионом. Прежде на протяжении 40 лет существовала известная проблема солнечных нейтрино.
Любопытно заметить, что дефицит касался не полного потока, а лишь высокоэнергичных борных нейтрино (которых примерно на четыре порядка меньше!). Эту деталь можно не услышать даже у самых продвинутых популяризаторов науки. Недоставало примерно трети. Но в ходе развития методик и технологий, совершенства детекторов – выяснилось, что из центра Солнца до Земли нейтрино претерпевают осцилляции. Эти осцилляции требуют отличия от нуля массы покоя. Без массы осцилляции невозможны.
В ядерных реакциях в недрах Солнца рождаются только электронные нейтрино.
p + p → d + e⁺ + νₑ
⁷Be + e → ⁷Li + νₑ + γ
⁸B → ⁸Be* + e⁺ + νₑ
Третья реакция производит те самые высокоэнергичные "борные" нейтрино. И именно их (и hep-нейтрино) из всего спектра солнечных нейтрино регистрируют черенковские детекторы, ведь вторичная частица должна перемещаться со скоростью, большей скорости света в воде.
Выше кадр Солнца в нейтринных лучах получен за полтора года с помощью детектора Суперкамиоканде, содержащем в себе 50000 тонн сверхчистой воды. Нейтрино с энергией более ~5 МэВ при взаимодействии с водой вызывает ~1000 черенковских фотонов. Всего таких нейтрино (от ~5 МэВ) от Солнца через см² за секунду приходит порядка нескольких миллионов.
Но ведь человек, в общем-то, в основном состоит из воды (пусть и не сверхчистой), что тоже делает его своего рода "детектором" нейтрино. Понятно, что Солнце сквозь Землю в нейтринных лучах напрямую глазами не увидеть. Но давайте прикинем, а возможно ли в принципе поймать нейтрино глазами?
Суперкамиоканде на глубине 1 км под землёй регистрирует несколько десятков нейтрино в день с помощью 50 тыс. тонн воды. Значит, существует исчезающе малая вероятность того, что нейтрино, проходящее через стекловидное тело вашего глаза (на 98% состоит из молекул воды, коллагена и гиалуроната), провзаимодействует и вызовет черенковское излучение. Черенковское излучение потенциально наблюдаемо – это известно из сообщений о вспышках у пациентов лучевой терапии (в экспериментах свет возникал внутри глазного яблока, в непосредственной близости от фоторецепторов). Будем пренебрегать попаданием в нервные клетки позади глаза или в определённые области мозга, что так же вызывает ощущение наблюдения вспышки. Хотя в формировании зрительных образов принимает участие приблизительно четверть мозга (включая нерв и прилегающая к нему часть коры). Но ограничимся стекловидным телом, масса которого всего 4 грамма.
Несколько миллионов высокоэнергичных нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр каждую секунду, и в среднем одно нейтрино будет поймано телом человека за всю жизнь (порядка века). Грубо говоря, полжизни человек спит (делим пополам), но зато глаза два (умножаем на два). Но с 8 миллиардами людей на планете, каждый из которых носит в себе 2 × 4 грамма стекловидного тела – получается огромный резервуар воды (неспящих 32 тыс. тонны!). И в таком масштабе – черенковское излучение, вследствие взаимодействия высокоэнергичного нейтрино от Солнца с глазом, видят несколько человек в день!
Сам факт наличия такой вероятности удивителен. А наш глаз способен видеть чуточку больше (и даже, в некотором смысле, сквозь планету!). Так что – смотрите в оба! (;
День до заморозки, и тут Остапа понесло 😉
Первый
Анонимный ответ12 августа 2019
Это отличная статья. Но реальность отлична от идеальных условияй.Человеческое тело неотделимо от тысяч вч полей окружающего пространства.
Если точно то это работы Церн 1982-83 года которые доказали существование нейтральныйх токов при прохождениии нейтрино.Работы по поиску Z W бозонов оснавывались на распаде нейтрино (нейтрино-->вч поле-->W бозон--> електрон --->..... Читать далее