Создан новый метод изучения процессов внутри атомного ядра

Впервые физики точно знали, нейтрино какой энергии взаимодействует с ядром.

Фото Reidar Hahn.

Физики из коллаборации MiniBooNE впервые нашли способ бомбардировать атомные ядра ˆмюонными нейтрино (одним из типов нейтрино) с точно известной энергией. Этот новый метод исследования поможет выяснить детали происходящих в ядре процессов, а также изучить свойства самих нейтрино. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters.

Все силы в природе являются проявлением всего четырёх фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. В масштабах атомного ядра гравитацией можно пренебречь, поскольку его масса невероятно мала. Электромагнитное взаимодействие, в котором участвуют протоны, стремится разорвать ядро, ведь одноимённые заряды отталкиваются. Однако сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны вместе и не даёт ядру разрушиться. Наконец, слабое взаимодействие отвечает за некоторые явления в ядерной физике, в частности, за бета-распад ядра.

В процессах, обусловленных слабым взаимодействием, пока ещё много неясных деталей. Физики стремятся изучить их своим излюбленным методом озорных детей: "нужно швырять в мишень разные предметы и смотреть, что получается". В качестве мишени выступает ядро, а в роли метательных снарядов – различные частицы.

Для изучения именно слабого взаимодействия естественно бомбардировать ядро частицами, которые ни в каком другом взаимодействии не участвуют. На эту роль есть отличный кандидат: нейтрино.

Однако здесь есть загвоздка. Чтобы полученная в эксперименте информация была максимально полной, требуется как можно точнее знать энергию "метательного снаряда". Но именно этого и трудно добиться.

Обычные процессы порождения нейтрино выдают поток частиц, энергии которых заполняют довольно широкий диапазон. Поэтому узнать, какую именно энергию несло нейтрино, ударившее в конкретное ядро, не представляется возможным. В случае заряженных частиц эта проблема решается с помощью системы электрических полей, позволяющих выбрать частицы нужной энергии. Но нейтрино, как мы помним, не имеет заряда и не участвует в электромагнитном взаимодействии.

Исследователи решили эту проблему очень оригинальным способом. Они поняли, что часть регистрируемых нейтрино приходит из постороннего источника, построенного неподалёку (86 метров от детектора) для совсем других экспериментов. Речь идёт об алюминиевом сердечнике поглотителя частиц NuMI, где происходит распад покоящихся каонов. Для подобного процесса энергия вылетающих нейтрино известна абсолютно точно: 236 мегаэлектронвольт.

Задача состояла в том, чтобы отличить "каонные" нейтрино от остальных. Авторы справились с этим, используя время появления частиц в детекторе.

"Вопрос об энергии нейтрино очень важен, – цитирует пресс-релиз Джошуа Шпица (Joshua Spitz), соавтора исследования из Мичиганского университета. – Чрезвычайно редко можно узнать энергию нейтрино, и сколько энергии оно приносит в атом-мишень. Для нейтринных исследований ядер это достигнуто впервые".

Фактически изобретён новый метод изучения внутриядерных процессов. Пользуясь им, авторы уже проанализировали данные, накопленные с 2009 по 2011 год.

В дальнейшем исследователи планируют отобрать столкновения с "каонными" нейтрино и в данных другого детектора, MicroBooNE, который весьма кстати также находится поблизости от их источника (в 102 метрах).

"MicroBooNE обеспечит более точные наблюдения этих нейтрино с известной энергией, – замечает Шпиц. –Результаты будут чрезвычайно полезны для будущих экспериментов с осцилляциями нейтрино".

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как физики впервые зарегистрировали важное превращение нейтрино и как учёные надеются с помощью этих частиц понять, почему материи больше, чем антиматерии.