Все прогнозы, которые он когда-либо делал, были подтверждены, кроме одного.
«Эти наблюдения за нейтрино настолько захватывающие и важные, что я думаю, что мы вот-вот станем свидетелями рождения совершенно новой ветви астрономии: нейтринной астрономии». -Джон Бахколл
Если вы были здесь последние шесть лет и считаете, вы знаете о Большом Взрыве. Да, подавляющее большинство известных нам галактик стремительно удаляются от нас, но это еще не все; в среднем, чем дальше от нас находится каждое отдельное существо, тем быстрее оно кажется удаляющимся.
Когда мы смотрим через эти огромные расстояния на эти галактики, движущиеся с фантастическими скоростями, мы также смотрим на Вселенную, когда она была другой, чем сегодня. Поскольку скорость света конечна, вы на самом деле смотрите на эти галактики такими, какими они существовали в далеком прошлом. Поскольку все галактики удаляются друг от друга, а галактики, которые находятся дальше, расширяются быстрее, это привело к идее, что Вселенная была меньше, плотнее, а также горячее в прошлом.
Возвращаясь назад во времени, поскольку Вселенная была горячее, когда-то она была настолько горячей, что нейтральные атомы даже не могли образоваться: все было морем ионизированной плазмы, наполненной ядрами, электронами и излучением. (Когда Вселенная остыла, чтобы сформировать нейтральные атомы, вот откуда взялся космический микроволновый фон.)
Возвращаясь еще дальше в прошлое, вы можете представить Вселенную настолько горячей, что даже атомные ядра не могут выстоять вместе против интенсивного излучения; фотон достаточно высокой энергии разнесет их на свободные протоны и нейтроны.
На самом деле это было, когда та эпоха закончилась, и Вселенная остыла настолько, что фотоны не моглиразорвать эти ядра на части, что мы впервые в истории Вселенной начали формировать более тяжелые элементы; эта оставшаяся подпись - еще одно из великих подтверждений Большого Взрыва.
Но зайдя еще дальше, мы можем найти время, когда излучение во Вселенной было настолько горячим, что все существующие частицы вместе с их античастицами спонтанно рождались в частице-античастице. пары из-за этих неизбежных высокоэнергетических столкновений.
Сюда входят все пары кварк/антикварк, все пары лептон/антилептон, все глюоны и фотоны и слабые бозоны, даже Хиггс, и любые дополнительные, до сих пор не открытые частицы, которые могут существовать даже при более высоких энергий, чем мы понимаем в настоящее время. Когда вся наблюдаемая Вселенная - сейчас почти 100 миллиардов световых лет в диаметре - была сжата в пространство меньше одного светового года в поперечнике, все эти пары частица/античастица существовали в большом количестве, спонтанно создавая и уничтожая в (приблизительно) состояние равновесия.
Время, в течение которого Вселенная находилась в этом состоянии, было очень коротким - менее секунды - но при таких плотностях и энергиях скорость взаимодействия более чем достаточно велика, чтобы все это происходило спонтанно.
Но - как вы можете ясно видеть - это состояние равновесия не длится очень долго. По мере того как Вселенная расширяется, она также остывает (и, следовательно, ее температура падает), и становится все труднее и труднее создавать новые пары частица-античастица. Тем временем существующие будут продолжать аннигилировать в фотоны или частицы света. В конце концов, вероятность аннигиляции - зависимая от их поперечного сечения - упадет до такого низкого значения, что все, что существует в это время, будет эффективно "заморожено", и пока эта частица устойчива к распаду, она будет продолжать существовать. существуют и по сей день.
Мы знаем о трех таких видах частиц (и их античастиц), которые делают это: нейтрино!
Имея три разновидности, соответствующие трем типам лептон - электрон, мюон и тау - , это самые легкие частицы с наименьшей массой, которые, как известно, на самом деле имеют ненулевую массу. Верхний предел массы самого тяжелого нейтрино по-прежнему более чем в 4 миллиона раз легчечем электрон, следующая по легкости частица.
И все же нейтрино имеют зависящее от энергии поперечное сечение, которое становится чрезвычайно малым при более низких энергиях. К тому времени, когда Вселенной исполнится около одной секунды, нейтрино и антинейтрино перестают взаимодействовать друг с другом и просто продолжают терять энергию и остывать по мере расширения Вселенной. Возможно, вы помните, что это то же самое, что делают фотоны при формировании нейтральных атомов, откуда и возникает космический микроволновый фон.
Только нейтрино немного отличаются от фотонов. Несмотря на то, что у них самая маленькая масса из всего, что мы знаем, потому что мы знаем, откуда они взялись (и какой была Вселенная, когда они перестали взаимодействовать), мы знаем, что они делают не совсем то же самое. Космический микроволновый фон (CMB) фотонов имеет энергетический спектр, подобный приведенному выше, с пиком при температуре 2,725 Кельвина.
Космический нейтринный фон должен иметь чуть более низкую температуру 1,96 Кельвина (поскольку электроны/позитроны еще не аннигилировали, поэтому реликтовое излучение немного горячее), и их должно быть немного меньше, чем есть фотоны; примерно на 82% больше. (336 на кубический сантиметр, включая все три вида и антинейтрино, по сравнению с 411 на кубический сантиметр для фотонов.) Но помните, есть одно невероятно важное различие между космическим микроволновым фоном и космическим нейтринным фоном: в отличие от фотонов, нейтрино имеют массу покоя!
Эта масса, какой бы крошечной она ни была, все же велика по сравнению с количеством энергии, которое соответствует тепловой энергии, оставшейся от ранней Вселенной. В зависимости от их массы (помните, что все еще есть некоторая неопределенность), сегодня они движутся со скоростью не более нескольких тысяч км/с, а возможно, всего несколько сотен км/с.
И это очень, очень интересное число.
Масса и энергия этих нейтрино говорят нам о том, что они попали в крупно- и мелкомасштабные структуры во Вселенной, в том числе и в нашей Галактике. Они говорят нам, что представляют собой небольшой процент темной материи - от 0,5% до 1,4% - но не всю. Массы нейтрино примерно столько же, сколько массы звезд, сжигающих сегодня свое топливо. Немного, но все равно интересно!
Но что, возможно, самое удивительное в этих нейтрино, так это то, что у нас нет практического представления о том, как мы могли бы обнаружить их экспериментально!
Мы можем обнаружить нейтрино, но только нейтрино с энергией примерно в миллиард раз превышающей энергию этих космических реликвий. Из-за того, как быстро (экспоненциально) падает сечение, у нас действительно нет надежды обнаружить что-то с такой маленькой сигнатурой; все детекторы нейтрино, которые мы построили и успешно внедрили, основаны на нейтрино сверхвысоких энергий.
Таким образом, наши проверенные методы обнаружения нейтрино не будут применимы, если вы не возьмете гигантский детектор нейтрино, такой как Super-Kamiokande, выше (или IceCube, на самом верху), и не ускорите все это до релятивистских скоростей.. Тогда - и только тогда - можно начать получать сигнал, подобный тому, который мы получаем от обильных нейтрино высоких энергий, которые легко обнаружить: от Солнца и от ядерных реакторов.
Поскольку это, мягко говоря, непрактично, это одно из последних великих непроверенных предсказаний Большого Взрыва, и мы вряд ли решим его в ближайшее время. (Если гравитационные волны от инфляции действительно выдержат испытание, это может быть окончательным непроверенным предсказанием Большого взрыва!) Несмотря на то, что на кубический сантиметр приходится сотни этих нейтрино и антинейтрино, и несмотря на то, что они мчатся со скоростью (как минимум) сотни километров в секунду, единственное взаимодействие, которое они могут иметь с нормальной материей, - это ядерная отдача.
А ядро по сравнению с нейтрино, мягко говоря, большое. Обнаружить такую отдачу сложнее, чем обнаружить отдачу сверхтяжелого полуприцепа при столкновении с… парамецием. Другими словами, даже если бы мы могли его обнаружить, способность отличить «событие» от экспериментального шума выходит далеко за рамки наших практических возможностей.
Но есть одна интересная вещь, которую мы узнали об этих нейтрино. Видите ли, мы давно знаем, что все нейтрино левовращающие, то есть их спин всегда противоположен их импульсу, или что их спин -1/2. С другой стороны, все антинейтрино правосторонние, их вращение всегда указывает в том же направлении, что и их импульс, или что их вращение +½. Все другие частицы с полуцелым спином, о которых мы знаем, имеют версию ±1/2, независимо от того, являются ли они материей или антиматерией.
Но не нейтрино. Это подпитывает предположение, что нейтрино на самом деле могут быть их собственными античастицами, что делает их особым типом частиц, известным как майорановский фермион. Но есть особый тип распада, который должен произойти, если они есть; пока ничего не известно об этом распаде, и поэтому окно в то, что нейтрино являются майорановскими частицами, закрывается.
Итак, вот что: после Большого взрыва осталось около 10^90 нейтрино и антинейтрино, что делает их второй по распространенности частицей во Вселенной (после фотонов). На каждый протон во Вселенной приходится более миллиарда древних нейтрино. И тем не менее, все эти реликтовые нейтрино - составляющие космический нейтринный фон (или CNB) - полностью необнаружимы для нас. Не в принципе, а просто на практике, так как мы не знаем, как сделать эксперименты достаточно чувствительными (или хотя бы близкими), чтобы искать это или выявлять такой сигнал на подавляющем фоне событий. Если вы хотите знать, что вы можете сделать, чтобы получить Нобелевскую премию, придумайте способ их обнаружить, и медаль и слава обязательно будут вашими!
До тех пор все, что мы можем делать, это восхищаться тем, что, возможно, является последним великим непроверенным предсказанием Большого Взрыва: реликтовым фоном космических нейтрино!
Есть предложение, как получить Нобелевскую премию? Расскажите нам на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!