Даниэль Фридман (Daniel Freedman), физик-теоретик из Массачусетского технологического института, еще в 1974 году выдвинул теорию о том, что неуловимые частицы нейтрино могут взаимодействовать с ядрами атомов материи не очень обычным способом, заставляя их колебаться с малой амплитудой. Учитывая невозможность регистрации и измерений параметров колебаний атомных ядер в то время, Даниэль Фридман даже отнес свое собственное предположение в разряд «глупой идеи». Но недавно, спустя 40 лет, ученым удалось получить подтверждение теории Фридмана, разработав новый способ регистрации и измерений так называемых «когерентных столкновений нейтрино-ядро». Результаты данного открытия, по мнению ученых, открывают совершенно новые фантастические возможности использования нейтрино в будущем в практических и исследовательских целях.
Напомним нашим читателям, что все элементарные частицы могут взаимодействовать друг с другом при помощи четырех видов фундаментальных сил, сил гравитации, электромагнетизма, сильных и слабых ядерных взаимодействий. Нейтрино отличается от других частиц тем, что они взаимодействуют с другими частицами только посредством сил гравитации и слабых ядерных взаимодействий. И такие виды взаимодействия чрезвычайно сложно обнаружить даже при помощи самого высокочувствительного оборудования.
Традиционный метод, при помощи которого ученые изучают нейтрино, заключается в использовании обратного бета-распада при столкновении нейтрино с протоном. При этом, протон распадается на электрон и нейтрон, движение электрона вызывает слабую вспышку света, которая регистрируется чувствительными фотодетекторами, расположенными в резервуарах, наполненных десятками, сотнями и тысячами тонн чистейшей воды. Такой вид взаимодействия нейтрино с материей является очень редким и поэтому частицы нейтрино еще не изучены на сегодняшний день должным образом.
Как упоминалось выше, Даниэль Фридман выдвинул предположение о том, что нейтрино может взаимодействовать не только с протонами, но и с ядрами атомов целиком. В этом процессе задействованы очень малые энергии, а возникающие при этом колебания ядер атомов имеют очень малую амплитуду. Но события, связанные со столкновениями нейтрино и ядер атомов, происходят гораздо чаще случаев обратного бета-распада протонов. И если была бы возможность регистрации таких событий, то изучать нейтрино можно было бы при помощи относительно небольшого детектора.
Регистрация слабых взаимодействий нейтрино с ядрами атомов была произведена учеными из Национальной лаборатории Ок-Ридж в рамках эксперимента Spallation Neutron Source (SNS). Оборудование этого эксперимента производит череду нейтронных взрывов вдоль линии распространения луча. И в качестве побочного продукта этих взрывов на свет появляется огромное количество частиц нейтрино. Для изоляции нейтрино от остальной массы частиц, рождающихся в недрах установки SNS, ученые использовали бетонную стену, толщиной 20 метров, которая поглотила все более тяжелые частицы.
Для «ловли» нейтрино ученые использовали датчик COHERENT, который представляет собой кристалл из определенного вещества с определенной структурой. При столкновении нейтрино с атомами кристаллической решетки этого кристалла, атомы начинают колебаться и излучать очень слабые вспышки света, который можно обнаружить имеющимися фотодетекторами. Включение и выключение нейтронного луча установки SNS приводило к появлению всплесков и провалов в сигнале фотодетектора, а время изменений этого сигнала совпадало со временем изменений интенсивности нейтронного луча.
Помимо подтверждения теории 40-летней давности, эксперимент COHERENT позволил ученым определить некоторые ограничения, накладывающиеся на поведение частиц нейтрино. «Вполне возможно, что лет так через 50 с данного момента в нашем распоряжении появятся доступные для всех нейтринные технологии, которые сейчас могут являться лишь предметом самой смелой научной фантастики».
Результаты экспериментов ученых из Ок-Риджа взволновали все научное сообщество. И множество научных групп из разных стран пытаются повторить эксперимент для получения дополнительных доказательств, которые обеспечат имеющимся данным высокую статистическую достоверность и переведут все это в разряд доказанного научного открытия. «Я крайне взволнован тем, что мой теоретический эксперимент, предложенный в 1974 году, был исполнен на практике» — пишет Даниэль Фридман, — «И сейчас даже тяжело предсказать, какие новые пути для дальнейшего развития все это откроет перед современной физикой».
