Откуда берется масса: как подземная обсерватория поможет физикам разгадать загадку
26 августа 2025 года в Китае начала работу Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (Jiangmen Underground Neutrino Observatory, или JUNO). Это крупнейший и самый точный детектор нейтрино среди всех установок своего класса. Проект объединяет более 700 исследователей из 17 стран, хотя основной вклад вносит Китай. Установка должна помочь физикам разгадать загадку, не укладывающуюся в самые надежные, авторитетные и многократно проверенные теории. Это вопрос о том, откуда берется масса у частиц, которые по всем известным физическим законам не должны ее иметь.
Вселенная на весах
Все на свете состоит из элементарных частиц. Любое явление, от взрыва сверхновой до дружеского объятия, в конечном счете сводится к взаимодействию между частицами. Законы, управляющие ими, и есть самые фундаментальные законы Вселенной. Вот пример «детского» вопроса, за ответом на который придется прогуляться в мир элементарных частиц. Почему мы сами и все предметы вокруг нас имеют массу?
Ваши напольные весы показывают суммарную массу частиц, из которых вы состоите. Но не все элементарные частицы в мире имеют массу. Например, масса фотона — частицы света — равна нулю. Раз одни частицы имеют массу, а другие нет, этому должна быть причина.
Начнем с того, что человек состоит из атомов. Атом же состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Атомное ядро, в свою очередь, составлено из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон близки по массе и примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Они и составляют почти всю массу человеческого тела: на долю электронов приходятся какие-то граммы.
Протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Кварки притягиваются друг с другу с огромной силой. Масса протона или нейтрона складывается из собственной массы кварков и энергии их притяжения, пересчитанной в массу по знаменитой формуле E=mc2. На эту энергию и приходится более 99% массы протонов и нейтронов, а следовательно, и человеческого тела.
Осталось разобраться, почему имеют массу сами кварки, а также электроны, вклад которых мал, но вполне заметен. В двух словах: их наделяет массой поле Хиггса, частицу которого — тот самый бозон Хиггса — обнаружили в 2012 году на Большом адронном коллайдере.
Кажется, что загадка массы полностью разгадана. По крайней мере, Стандартная модель — главная теория в физике элементарных частиц — не предлагает никаких других механизмов, наделяющих массой какие бы то ни было частицы.
Между тем такие механизмы есть. Это значит, что существуют фундаментальные законы материи, о которых Стандартная модель «не подозревает». Физики только начинают подступаться к этим законам. Ключ к ним кроется в почти неуловимой частице — нейтрино.
Загадочные невидимки
Нейтрино вездесущи. Каждую секунду каждый квадратный сантиметр вашего тела насквозь прошивают десятки миллиардов этих частиц, рожденных в центре Солнца. Они образуются также в атомных реакторах, в недрах земного шара, где распадаются радиоактивные элементы, в атмосфере, где космические частицы сталкиваются с атомами воздуха — практически везде, где идут хоть какие-то ядерные реакции.
Существует не один, а три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стандартная модель четко указывает, что все три, во-первых, не имеют массы, а во-вторых, не превращаются друг в друга. Однако многочисленные эксперименты убедили физиков, что такие превращения происходят. Единственное возможное объяснение — нейтрино имеют массу, пусть и небольшую. За открытие «перевоплощений» нейтрино Такааки Кадзита и Артур Макдональд в 2015 году получили Нобелевскую премию по физике. И было за что: это ни много ни мало единственный надежный экспериментальный результат, противоречащий Стандартной модели.
Этот факт может показаться мелкой досадной неувязкой в великолепном здании физики элементарных частиц. Но нелишне напомнить, что величайшие физические теории XX века — квантовая механика и теория относительности — тоже начались с попыток сгладить «небольшие шероховатости» в существовавших тогда идеях. Трудный опыт научил физиков: когда речь идет о фундаментальных законах мироздания, неважных вопросов не бывает.
Какова же масса нейтрино и, главное, откуда она берется? Какими законами нужно дополнить Стандартную модель, чтобы уложить в нее этот странный факт? Ответы на эти вопросы и будут искать физики с помощью нового детектора.
Истина в скорлупе
Строго говоря, JUNO фиксирует не сами нейтрино, а их античастицы — антинейтрино. Однако массы нейтрино и антинейтрино равны, и вообще эти частицы так похожи, что на различии между ними можно не останавливаться. Изучая антинейтрино, физики тем самым изучают и нейтрино. Есть даже гипотеза, что нейтрино и антинейтрино — это одна и та же частица. Возможно, данные JUNO помогут ее проверить.
Антинейтрино, как и нейтрино, почти не взаимодействуют с остальной материей. Этот не так уж плохо, если вспомнить, сколько «невидимок» ежесекундно пронзает наше тело. Вступи хоть каждая тысячная из них в реакцию с атомами нашего тела, и нам туго бы пришлось. Но для физиков этот факт является головной болью: как изучать то, что почти никак себя не проявляет?
К счастью, «почти никак» не означает «совсем никак». Изредка эти частицы все же снисходят до реакции с атомными ядрами. Задача детектора — зафиксировать такие события.
Сердце JUNO — камера, заполненная 20 000 т прозрачной жидкости. Эта огромная масса должна обеспечить регистрацию всего около 40 антинейтрино в сутки. Вот с какой неуловимой субстанцией приходится иметь дело физикам.
Когда антинейтрино все-таки врезается в протон атомного ядра, возникают два фотона: один мгновенно, другой спустя 0,2 миллисекунды. Толщу прозрачной жидкости просматривают 15 000 датчиков, готовых зарегистрировать это излучение.
Однако антинейтрино — не единственные претенденты на реакцию с веществом детектора. В атомные ядра врезаются и космические лучи, и продукты распада мельчайших радиоактивных примесей, содержащихся в любом материале. Причем те и другие делают это куда чаще высокомерных «невидимок».
Чтобы долгожданный привет от антинейтрино не утонул в фоновом шуме, специалисты превратили детектор в матрешку. Мишень детектора окружена слоем сверхчистой воды. Это одновременно и защита от посторонних частиц, и система предупреждения. Когда слой воды пересекают частицы космических лучей — но не антинейтрино — они испускают характерное свечение. Так что ученые по крайней мере знают о вторжении непрошенных гостей. Выше расположена пленка из особо прочного полимера. Вертикально над детектором находится еще один бассейн с очищенной водой и дополнительный детектор космических частиц. Вся конструкция упрятана на глубину 700 м.
Вся эта многослойная броня, заставляющая вспомнить сказку о кощеевой смерти, — не помеха для антинейтрино, с легкостью пронизывающих даже земной шар. От посторонних частиц она тоже защитит не полностью, но сведет их поток к приемлемому уровню. В итоге JUNO будет измерять энергию антинейтрино с рекордной точностью.
Основной источник антинейтрино для обсерватории — это реакторы двух промышленных атомных электростанций. Место для детектора выбрано так, чтобы расстояние до реакторов было одинаковым: 53 км. Точно знать расстояние до источника антинейтрино очень важно для изучения свойств этих загадочных частиц. Тем не менее в поле зрения детектора попадут также антинейтрино от Солнца, земных недр, верхних слоев атмосферы и даже вспышек сверхновых, если таковые случатся в ближайших галактиках.
Детектор рассчитан как минимум на 30 лет службы с возможностью модернизации. За это время он накопит множество чрезвычайно точных данных. Исследователи надеются, что эта информация прольет свет на загадку массы нейтрино и стоящую за ней новую физику.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора