Александр Спирин
Конусы черенковского излучения. Иллюстрация Physorg
Английский физик Джеймс Максвелл представил свет как единство взаимно перпендикулярных друг другу электрического и магнитного полей в пространстве. То, что мы можем видеть, представляет собой узкое «окошко» в широчайшем диапазоне, за пределами которого теплые инфракрасные и обжигающе-холодные ультрафиолетовые лучи, и дальше – рентгеновские и еще более мощное гамма-излучение.
В конце XIX века шведский физикохимик Сванте Аррениус сформулировал и экспериментально подтвердил теорию электролитической диссоциации: перемещение между опущенными в раствор электродами частиц разного заряда. Эти частицы были названы ионами. За это открытие Аррениус одним из первых был удостоен Нобелевской премии в 1903 году.
В том же 1903 году в Стокгольм были вызваны Анри Беккерель и супруги Кюри, Мария и Пьер, много сделавшие для понимания природы радиоактивного излучения. Оказалось, что оно представляет собой «вылет» из распадающегося атома электронов и ядер гелия (частиц бета и альфа).
В 1930 году один из отцов-основателей квантовой механики Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде возникает почти безмассовая и не имеющая заряда ничтожно малая частица, которую итальянец Энрико Ферми по аналогии с «бамбино» предложил назвать «нейтрино» (маленький нейтрон, нейтрончик). В 1945-м швейцарцу присудили за это Нобелевскую премию.
Нейтрино определялась в словарях как стабильная нейтральная частица с «возможно нулевой массой», рождающаяся при бета-распаде и испытывающая гравитационное воздействие, практически не взаимодействуя с веществом. Поэтому она может прилетать к нам из глубин пространства, где разгоняется до околосветовой – релятивистской – скорости.
Через четыре года после рождения идеи о нейтрино советский физик Павел Черенков открыл удивительное свечение, порождаемое частицами, скорость которых выше фазовой скорости света в веществе. В 1958 году Черенков получил за это открытие Нобелевскую премию. А эффект так и назвали – «черенковское свечение». А до того Павел Алексеевич успел получить две Государственные премии (третью – в 1977 году), был выбран в академики Академии наук СССР. Ученый исследовал космические лучи и занимался ускорительной физикой.
Черенковское свечение имеет форму конуса разных цветов и направленности. Сегодня один из телескопов, который должен зафиксировать прилет нейтрино, представляет собой большое число баков с водой, детекторы которых преобразуют поступающие сигналы с помощью фотоумножителей. Детекторы размещены в глубоких шахтах и под водой, что существенно повышает разрешение этих приборов. Есть такой «телескоп», получивший название Ice Cube – «Ледяной Куб», и на Южном полюсе. Он располагается на глубине 1,5 км под толщей антарктического льда.
Масштабы детекторов вынужденно большие из-за «нежелания» нейтрино взаимодействовать с видимой материей. Поэтому ученые компенсируют этот факт эскалацией размеров своих физических приборов. Это объясняет название одного из таких нейтринных телескопов – KM3NeT, расшифровывающееся как «Нейтрино-телескоп (объемом) кубический километр». Марсельский Центр физики частиц разместил его детекторы в морской толще у берегов Сицилии и Прованса. Первые события телескоп начал регистрировать 13 февраля 2023 года.
Название отражает суть телескопа, представляющего собой 3D-grid (сеть), с помощью которой был уловлен прилет нейтрино с энергией порядка 120 пета-эВ (миллион миллиардов) или 120 х 1015 peV. И эта энергия оказалась в 30 раз больше всех ранее регистрировавшихся. В ускорителе элементарных частиц Большой адронный коллайдер (LHC в Женеве) энергии взаимодействий сталкивающихся потоков частиц исчисляются 1,5 десятками гига-эВ (109 эВ).
К подобным энергиям устремлены взоры и физиков, работающих на ускорителях электронов, один из которых создан еще в 2006 году в Институте прикладной физики Российской академии наук. Он получил «жемчужное» название РЕАRL, означающее «петаваттный параметрический лазер». Нашим ученым уже удалось получить импульс мощностью 0,56 петаватт. Ускорение до таких и больших энергий позволит генерировать рентгеновские лучи чрезвычайно коротких волн. И это дает возможность изучать белки и другие молекулы с атомным разрешением. Результаты такого суперрентгена можно будет использовать в медицинской диагностике и в промышленности, строительстве и, конечно, в научных гравитационных исследованиях.
У членов международной коллаборации KM3NeT несколько иные устремления. Они, по ориентации зарегистрированных конусов черенковского излучения, хотят определить возможное направление естественного ускорителя, работающего в глубинах космоса. Он скорее всего расположен за пределами Млечного пути, в центре которого «работает» сверхмассивная черная дыра (SMBH). Ясно, что «новые» нейтрино, прилетевшие к Земле, сгенерированы иным источником, возможно, взрывом сверхновой. Определение возможного направления позволит направить все имеющиеся в распоряжении ученых телескопы на поиски конкретного объекта.
