Сегодня мы вспоминаем учёного, который научил нас слышать то, что обычно остаётся незамеченным. Бруно Понтекорво не просто строил теории — он подарил науке «наушники», чтобы слушать шёпот Вселенной.
В честь его дня рождения давайте проследим, как его идеи живут сегодня, масштабируясь от земных недр до космических глубин.
От нефти к сверхновым: наследие Понтекорво
Он начал с малого — с поиска нефти. Его метод нейтронного каротажа учил нас «слышать» отклик породы в скважине. Но принцип, который он заложил, оказался универсальным.
Сегодня этот же принцип работает в масштабах Вселенной. Нейтрино — те самые «сигналы», которые мы учимся ловить, — стали главными информаторами о самых экстремальных событиях.
Что мы узнаём благодаря его идеям?
Мы слышим взрыв раньше, чем видим его.
При гибели звезды (взрыве сверхновой) фотоны (свет) застревают в раскалённых оболочках — им нужно прорваться сквозь слои плазмы. А нейтрино пролетают сквозь всё мгновенно, унося с собой 99% энергии взрыва. Это прямой эфир из самого сердца катастрофы, который мы ловим первым.
Мы заглядываем в запредельные условия.
Нейтрино доносят до нас информацию о температурах и давлениях, которые мы никогда не сможем воссоздать в лаборатории.
Забавный штрих в истории науки
Даже в этой серьёзной теме есть место юмору. Ключевой механизм сброса энергии умирающей звездой назвали «урка-процессом».
Суть: Это механизм быстрого остывания ядра звезды через излучение нейтрино.
История: Термин придумал физик Георгий Гамов, вдохновившись названием казино в Рио-де-Жанейро (Urca), где он однажды играл.
Главный урок дня рождения великого учёного
Бруно Понтекорво показал нам: самый большой прорыв — это умение заметить едва уловимый сигнал.
На Земле: Это отклик породы, который ведёт к нефти.
Во Вселенной: Это нейтринный сигнал, который рассказывает историю рождения новых звёзд и элементов.
С днём рождения, Бруно Понтекорво! Ваше умение видеть невидимое продолжает двигать науку вперёд.
Этой весной участники экспедиции на Baikal-GVD развернули 15-й и 16-й кластеры телескопа, который находится на дне озера. Телескоп этот, как вы поняли, не обычный. Он находится в озере Байкал на расстоянии 3,6 км от берега и на глубине порядка 1300 м. Это один из крупнейших в мире глубоководных телескопов, который ещё называют нейтринным телескопом. Потому что он улавливает нейтрино, их еще называют «Призраками Вселенной». Из-за слабого взаимодействия с материей и высокой проникающей способности. Далее попытаюсь объяснить, что это за кластеры, подводный телескоп такой, когда этот проект начали реализовывать, с какими проблемами столкнулись и для чего он нужен нашей стране.
Кому больше нравится видеоформат, записал этот материал на видео, там показан этот объект:
Baikal-GVD
Baikal‑GVD — байкальский подводный нейтринный телескоп. Это проект класса мегасайенс. Что значит, что это масштабный, затратный, высокотехнологичный и уникальный проект. Реализовывать его начали в 2015 году. Официальным сроком введения в строй считается 13 марта 2021 года, хотя установка уже работала до этого. При этом он постепенно растет. И вот, этой весной 2026 года на Байкале развернули еще дополнительно 15-й и 16-й кластеры телескопа.
Baikal‑GVD — это одна из крупнейших астрофизических установок в мире. Он ловит нейтрино, частицы которые прилетают к нам из далекой галактики. Далее будет понятно, что это за частица и зачем ее ловить.
Небольшая часть всего телескопа
История
Разрабатывать такой телескоп начали в послевоенные годы. В 50-ых годах прошлого века астрофизики начали создавать приборы для регистрации солнечных нейтрино. У этой частицы есть важное свойство, она может преодолевать гигантские расстояния. А так же, нейтрино можно считать носителями информации, причём уникальной. Это связано с их особыми свойствами, которые позволяют им передавать данные о процессах, происходящих в недоступных для прямого наблюдения местах.
Траектории движения фундаментальных частиц.
Увидеть нейтрино можно только когда эта частица начинает взаимодействовать с веществом, например с водой. В этот момент возникает очень слабый свет, его называют — черенковское излучение. Это излучение получило своё название в честь нашего физика Павла Алексеевича Черенкова. Он впервые экспериментально обнаружил это явление в 1934 году.
Павел Алексеевич Черенков
Если объяснить на пальцах, то это явление похоже на то как летит самолет, который преодолевает звуковой барьер. За ним будто образуется «конус» звука. Такой же конус, только из света, возникает при пролете частиц в воде со скоростью больше скорости света в этой среде. Это называется черенковским излучением — его и видит байкальский телескоп.
В 1960 году академик Моисей Марков дал такую идею, что нужно в прозрачной среде создать решетку, или можно еще представить ее как мишень из чувствительных приемников, которые бы регистрировали вспышки света, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с этой средой. Это может быть вода, лед или соль.
Моисей Марков
Несмотря на то, что идея была наша, но реализовывать ее, зачем-то, начали советские ученые совместно с США, в 50 километрах от Гавайских островов. Проект назывался DUMAND. Он стартовал в 1970-е годы. Но 1979 году Советский Союз ввел войска в Афганистан для оказания помощи афганскому народу и научное сотрудничество с США свернули. После чего наши ученые решили развивать проект сами. И на Байкале начались эксперименты по созданию нейтринного телескопа.
В 90-ые вместе со страной рушилось и все остальное. В том числе и наука. Люди стали уходить. Денег не было. Но в итоге удалось найти финансирование и в 1994 году зарегистрировать первый нейтрино. В 1998 году — установка стала первым в мире подводным нейтринным телескопом — НТ-200, где 200 означает число детекторов. Отработав свое, стало понятно, что нужна более мощная установка. Эта не способна решить те задачи, которые перед собой ставили ученые.
В 2015 году началось масштабное строительство нового проекта Baikal‑GVD. Цель довести объем детектора до кубического километра. На данный момент телескоп достиг порядка 0,8 км³, еще чуть-чуть не хватает. В ходе экспедиции этой весной развернули 15-й и 16-й кластеры телескопа. Гирлянда Baikal-GVD несет на себе 36 датчиков, в одном кластере таких «нитей» по восемь штук. Таким образом, только в одной единице телескопа окажется 288 фотодетекторов — в полтора раза больше, чем на всем НТ-200. Это в тысячи раз больше, чем у первых советских установок.
Установка представляет собой сгруппированные тросы, на которых висят «глаза» телескопа — оптические модули. Они сделаны в виде больших стеклянных сфер, внутри находится электроника и очень чувствительные фотоумножители, которые ловят вспышки света от взаимодействия нейтрино с водой.
Эти частицы летят через вселенную никем и ничем не поглощаясь. Так же, они не отклоняются из-за магнитных или электрических полей, то есть их источник находится именно в том направлении откуда зарегистрировали появление нейтрино. Источником появления этих частиц могут быть взрывы сверхновых звезд, черные дыры, активные ядра галактик и двойные звездные системы. Поэтому эта частица является хорошим инструментом для изучения процессов, которые происходят в космосе.
Кстати, байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито.
Еще хотел бы заметить, что это не единственная крупная российская научная программа, в нашей стране сейчас реализуется много проектов класса мегасайенс. Например СКИФ, который по совокупности характеристик является лучшим в мире источником синхротронного излучения, делал обзор про него тут на Пикабу рекомендую ознакомиться, это невероятно интересно.
Трудности
При реализации телескопа Baikal-GVD учёные и инженеры столкнулись с рядом технических, природных и организационных сложностей. Например, поставки некоторых комплектующих из-за границы, пришлось искать других поставщиков. В итоге поставлены на испытания первые элементы детектора следующего поколения.
Так же, ежегодно из строя выходит до 1% глубоководных устройств, что не желательно. При том, что идет постоянное увеличении объёма телескопа. Для повышения надёжности начали проводить лабораторные испытания, включая климатические камеры и стенд для долговременных испытаний электронных блоков кластера.
Приходилось разрабатывать уникальные машины для резки льда и укладки кабелей по дну озера, так как стандартные решения не подходили. Например, были созданы устройства, похожие на полуметровые валики с резаками, для выравнивания ледовой поверхности, а также детали, напоминающие огромные шестерёнки, для прорубания льда.
Эти и другие проблемы требовали постоянного совершенствования технологий, методов работы и координации усилий.
Что даст этот телескоп?
Байкальский глубоководный нейтринный телескоп расширяет границы фундаментальной науки и создаёт предпосылки для технологического развития.
Гирлянда Baikal‑GVD
Фундаментальная наука, грубо говоря, это область познания, которая занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями основополагающих явлений и поиском закономерностей, управляющих ими. Её цель расширить теоретические представления о мире, понять базовые принципы, лежащие в основе природных и социальных процессов.
В перспективе исследования, проведенные с помощью этого подводного телескопа, могут найти применение в устройствах мобильной связи, системах спутниковой навигации, высокоскоростном транспорте и прочем.
Как сказал один из ключевых участников проекта Дмитрий Наумов: «Главный практический результат эксперимента ученые видят в построении глобальной физической картины. Это естественный интерес, любопытство, попытка попробовать зайти туда, куда человечество еще не дотягивалось. Этим же, наверное, руководствуются и альпинисты, покоряющие разные вершины. Любопытство, чтобы попробовать понять, как устроен наш мир.»
Так же, ученые в будущем смогут воспользоваться опытом создания нейтринных телескопов и при помощи нейтрино смогут исследовать состав Земли или изобрести принципиально новый вид связи.
При помощи этого телескопа ученые надеются найти ответы на фундаментальные вопросы нашего существования. Они получили возможность изучать процессы, которые происходят в самом центре Солнца. Ведь единственный способ это сделать, это регистрировать нейтрино, которые рождаются внутри звезды.
Дополнительные возможности
Появились и дополнительные возможности от использования этого телескопа. Он оснащён множеством вспомогательных датчиков, которые позволяют вести непрерывное наблюдение за состоянием озера: температурой, давлением, прозрачностью воды, скоростью и направлению течений на разных глубинах. Изучение осадочных процессов, как накапливаются донные отложения, каков их состав и скорость накопления. Это поможет в отслеживании природных аномалий и обнаружении загрязнения, если такое появится.
Так же, расположение телескопа в активной тектонической структуре даёт уникальные возможности сейсмического мониторинга, изучения строения земной коры, прогнозирования землетрясений, исследования подводных разломов.
Данные телескопа Baikal‑GVD косвенно помогают и в геологоразведке: изменения в акустическом фоне, температуре и химическом составе воды могут указывать на выходы рудных тел или углеводородов. На дне Байкала есть залежи метановых гидратов. Их изучение важно как для оценки ресурсов, так и для понимания их роли в климатических процессах.
Инфраструктура телескопа Baikal‑GVD — это ведь еще и полигон для отработки подводных технологий: тестирование оптоволоконных линий, акустических модемов, энергоснабжения подводных объектов, испытания подводных аппаратов для обслуживания телескопа, изучение коррозии, обрастания, долговечности конструкций в пресной воде при низких температурах. Это можно использовать при подводной добыче ресурсов и возведении подводных коммуникаций.
Ведущую роль в проекте играют Институт ядерных исследований РАН и Объединённый институт ядерных исследований. А так же Иркутский государственный университет, Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и много других организаций.
Будущее
Ученые не стоят на месте и уже планируют развитие проекта телескопа HUNT объёмом до 30 км³, он будет крупнейшим в мире. Скорее всего располагаться будет тоже на Байкале. HUNT будет состоять из 2 тысяч вертикальных «гирлянд» с фотоумножителями, закреплённых на дне водоёма на еще большой глубине. Сейчас идет проработка проекта, а сама реализация начнется после 30-ых годов.
Новый телескоп позволит решать задачи не только в области нейтринной астрофизики, но также геофизики и экологического мониторинга. Это откроет новые возможности уже и для прикладного использования технологий и знаний, полученных в рамках работы с телескопом Baikal-GVD.
На этом все. Подписывайтесь на канал и на мои мессенджеры в Телеграм и Максе, а так же не забудьте посмотреть видео про научный комплекс СКИФ.
Нейтрино — почти неуловимые частицы, которые миллиардами проходят сквозь ваше тело каждую секунду. Они почти не взаимодействуют с веществом, но помогают ученым изучать звезды, взрывы сверхновых и самые экстремальные процессы во Вселенной.
В 2023 году нейтринные телескопы зафиксировали нечто невозможное — частицу с энергией, в сотни тысяч раз превосходящую возможности самого мощного ускорителя на Земле. Во Вселенной не было известно источников, способных создать такой «снаряд». Это открытие поставило под вопрос современную астрофизику, но также стало ключом к разгадке древних космических тайн.
Физики из Массачусетского университета предложили смелую гипотезу: источником мог быть взрыв первичной черной дыры — реликта Большого взрыва, испаряющегося по механизму Хокинга. Однако простое испарение не объясняло, почему другие детекторы не видят подобных частиц. Решением стала модель «квазиэкстремальной» черной дыры, обладающей «темным зарядом» — связью со скрытым сектором неизвестных частиц и сил. Это делает взрывы редкими и особенными, снимая противоречия в данных.
Таким образом, одно нейтрино открывает путь к проверке сразу нескольких фундаментальных теорий. Его изучение может стать первым доказательством существования первичных черных дыр, излучения Хокинга, новых частиц за пределами Стандартной модели и даже раскрыть природу темной материи. Вселенная, кажется, снова подсказывает, что самые глубокие ее тайны скрываются в, казалось бы, единичных и необъяснимых событиях.
Изучая историю развития электротранспорта, можно заметить что батареи были и остаются их самым слабым местом. Что если решения в области запаса электроэнергии могут мгновенно решить эти проблемы. Какие последствия будут для электротранспорта, электроники и робототехники? Это мы и попытаемся исследовать.
В условиях климатических изменений и энергетического кризиса поиск чистых, неиссякаемых и автономных источников энергии становится глобальным приоритетом. На этом фоне периодически вспыхивают сенсационные заявления о создании революционных устройств, способных напрямую преобразовывать энергию космических частиц. Один из самых обсуждаемых прототипов последних лет — это «Нейтринный энергетический куб» или Neutrino Power Cube от немецко-американской компании Neutrino Energy Group.
Исследуем принципы работы подобных устройств, отделяя физическую реальность от манипуляций и рассматривая более реалистичные альтернативы для децентрализованной энергетики будущего. Концепция, продвигаемая Neutrino Energy Group, звучит как фантастика, обещая избавление от зависимости от солнца, ветра и электросетей. Компания заявляет о создании технологии Neutrinovoltaic, которая использует энергию частиц невидимого спектра излучения, в первую очередь нейтрино.
Заявленный принцип работы основан на использовании многослойного наноматериала. В куб укладываются от 12 до 20 чередующихся слоёв графена и легированного кремния, нанесённых на металлическую подложку. Согласно заявлениям компании, когда нейтрино и другие частицы проходят через куб, они вызывают микроскопические колебания атомов графена, так называемую «графеновую рябь». Эти колебания, усиливаемые тепловым движением атомов, якобы преобразуются в резонансную вибрацию всей структуры, которая затем снимается в виде постоянного электрического тока. В результате устройство, не имеющее движущихся частей и внешних видимых источников питания, должно генерировать электричество 24 часа в сутки.
Заявлено, что агрегат размером с небольшую тумбу может выдавать нетто-мощность 5–6 кВт, что достаточно для обеспечения энергией среднего домохозяйства. Компания анонсировала полевые испытания сотен таких устройств в Австрии и заявляет о планах по строительству заводов в Швейцарии и Южной Корее.
Несмотря на громкие обещания, концепция прямого получения значимой энергии из нейтрино вступает в острое противоречие с устоявшимися принципами физики элементарных частиц.
Неуловимость нейтрино
Ключевая проблема этого решения заключается в крайне слабом взаимодействии нейтрино с веществом. Эти частицы участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, игнорируя электромагнитное и сильное. Чтобы нейтрино «столкнулось» с ядром атома, оно должно подойти к нему на расстояние порядка аттометра или 10⁻¹⁸ метра. Через каждый квадратный сантиметр Земли ежесекундно пролетает около 60 миллиардов нейтрино, но практически все они проходят сквозь планету, не оставляя следа. Для их регистрации учёные строят гигантские детекторы массой в тысячи тонн. Примеры таких систем Super-Kamiokande в Японии, IceCube в Антарктиде или у нас на Кавказе. Они фиксируют буквально единичные события. Идея, что компактный бытовой прибор сможет уловить достаточно нейтрино для генерации киловатт мощности, с точки зрения современной физики выглядит совершенно неправдоподобной.
Вопрос источника энергии
Сами разработчики, по-видимому, осознают эту проблему. В их объяснениях фокус постепенно смещается с нейтрино на более широкий спектр воздействий так называемые «волны материи» по гипотезе де Бройля. Это тепловое движение атомов графена и даже техногенный «электромагнитный смог» от Wi-Fi и сотовых сетей. Однако ни один из этих альтернативных источников не обладает достаточной плотностью энергии. Например, для выдачи мощности, сравнимой с солнечной батареей, плотность энергии на входе должна быть сопоставима с солнечным светом. Техногенные радиоволны на много порядков слабее.
Таким образом, физическое сообщество скептически относится к заявлениям Neutrino Energy Group. Эксперты указывают, что подобные проекты часто используют малопонятную широкой публике научную терминологию для прикрытия принципов, противоречащих фундаментальным законам, в частности, закону сохранения энергии.
Энергия из атмосферы
Если получение энергии непосредственно от нейтрино за гранью современных технологий, то идея использования других, более распространённых и взаимодействующих частиц и полей в атмосфере уже гораздо ближе к реальности. Сегодня существуют работающие прототипы и коммерческие устройства, реализующие эту концепцию в малых масштабах.
Более реалистичные источники энергетических кубов нового поколения:
1. Радиочастотная энергетика через улавливание энергии радиоволн от вещательных станций, сотовых вышек и Wi-Fi роутеров. Эта технология, известная как сбор рассеянной энергии, уже питает малопотребляющие устройства типа датчиков «интернета вещей» IoT, RFID-метки и носимую медицинскую электронику.
2. Термоэлектрические генераторы по преобразованию разницы температур. Например, между корпусом устройства и окружающим воздухом или между разными слоями атмосферы. Преобразование в электричество происходит с помощью эффекта Зеебека.
3. Пьезоэлектрические и трибоэлектрические элементы. Генерация тока идёт за счёт механических вибраций или трения, которые в изобилии присутствуют в окружающей среде в виде ветра, шума и движения.
4. Солнечная энергетика нового поколения. Не стоит забывать и про совершенствование классических решений. Современные солнечные элементы имеют рекордную эффективность и могут работать в условиях рассеянного света, приближаясь к идеалу круглосуточного источника.
Гипотетический «Атмосферный энергетический куб» будущего, в отличие от нейтринного, может быть гибридным устройством, комбинирующим несколько из этих технологий для сбора мизерной, но реально существующей энергии из различных источников.
Мечта о компактном устройстве, обеспечивающем дом автономной энергией из неиссякаемых природных ресурсов, продолжает вдохновлять учёных и инженеров. Однако путь к этой цели лежит не через попытки обойти фундаментальные законы физики, а через кропотливую работу по повышению эффективности и интеграции уже существующих технологий сбора энергии.
Децентрализованная энергетика — это не фантастика, а объективная реальность и насущная необходимость. Её основу сегодня составляют не спорные «нейтринные кубы», а стремительно развивающиеся, дополняющие друг друга технологии в виде солнечных панелей на крышах, малых ветрогенераторов, умных сетей, системы накопления энергии и упомянутые выше системы сбора рассеянной энергии. Именно в их синергии, а не в поиске «мистического куба», заключается устойчивое энергетическое будущее, независимое от централизованных сетей и ископаемого топлива.
Таким образом, в то время как проекты вроде Neutrino Power Cube остаются на периферии научного мейнстрима, реальная децентрализованная энергетика уверенно развивается, доказывая свою жизнеспособность уже сегодня.
Ядерные батареи на никеле-63
Рассмотрим технологию бета-вольтаических ядерных батарей на изотопе никель-63. Батарея представляет собой физически обоснованную и уже реализованную платформу для децентрализованной энергетики. Эти устройства, часто называемые «вечными батарейками», используют энергию бета-распада радиоактивного изотопа, преобразуя её непосредственно в электричество с периодом полураспада около ста лет и безопасным излучением, которое легко экранируется. Никель-63 идеально подходит для создания долговечных и автономных источников питания для решений вне электросети.
Изотоп никель-63 в процессе бета-распада испускает электроны или бета-частицы. Эти частицы попадают в полупроводниковый преобразователь чаще всего на основе алмаза или кремния, где ионизируют атомы, создавая пары электрон-дырка. Встроенное в полупроводник электрическое поле разделяет эти заряды, генерируя постоянный электрический ток. Этот процесс не требует движущихся частей, химических реакций или внешнего источника энергии, обеспечивая стабильную выходную мощность на протяжении десятилетий.
Реальные прототипы
Технология уже вышла из стадии чистой теории. В 2024 году китайская компания Betavolt Technology представила действующий прототип BV100 — батарейку размером 15×15×5 мм, выдающую 100 мкВт мощности при напряжении 3В. Она состоит из слоёв никеля-63 и алмазных полупроводников. Компания заявила о планах по созданию версии мощностью 1 Вт к 2025 году.
Параллельно ведутся интенсивные исследования. Учёные из МФТИ, ТИСНУМ и МИСиС в 2018 году создали прототип, достигший рекордной для никеля-63 удельной энергоёмкости около 3300 мВт·ч/г, что в 10 раз превосходит плотность энергии обычных химических батарей. Их разработка, состоящая из 200 алмазных преобразователей, генерирует около 1 мкВт и оптимизирована для питания имплантатов.
Сфера применения
Утверждение о применении подобных технологий в медицине и космосе не фантастика, а исторический факт. В 1970-х годах в США и Франции были успешно имплантированы более 1400 кардиостимуляторов, работавших на плутонии-238. Современные разработки на значительно более безопасном Ni-63 предназначены для питания следующих поколений кардиостимуляторов, нейростимуляторов и датчиков. Их ключевое преимущество в исключении повторных рискованных операций по замене батареи на протяжении жизни пациента.
Космическая отрасль
Радиоизотопные источники энергии это стандарт для миссий в дальнем космосе и на других планетах. В то время как для больших мощностей используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы на плутонии-238, компактные бета-вольтаические батареи на Ni-63 рассматриваются для питания микроэлектроники, датчиков и малых спутников, где важны долговечность и независимость от Солнца.
Несмотря на технологическую готовность, массовому распространению ядерных батарей на Ni-63 мешают два ключевых фактора:
1. Высокая стоимость производства. Наработка высокообогащённого Ni-62 в ядерных реакторах с последующим облучением для получения Ni-63 чрезвычайно дорогой и медленный процесс. Оценки 2020 года показывали, что сырьё для одной батареи может стоить сотни тысяч рублей, что делает её неконкурентной для бытовой электроники.
2. Нормативные и социальные барьеры. Любое устройство с радиоактивным материалом, даже максимально безопасное, подлежит строгому лицензированию, учёту и контролю на протяжении всего жизненного цикла, включая утилизацию. Психологический барьер и «ядерная» начинка также играют значительную роль.
Таким образом, ядерные батареи на изотопе никель-63 не являются альтернативой будущего. Они представляют собой работающую альтернативу настоящего для специфических, критически важных задач децентрализованного энергоснабжения. Они доказывают, что принцип долговечной автономной энергетики реален и основан на прочном научном фундаменте.
Атомная батарейка на Ni-63 уже сегодня готова обеспечивать энергией имплантаты, космические аппараты и критическую инфраструктуру. Её путь к массовому рынку лежит не через научные прорывы, а через решение экономических и логистических задач. Эта технология служит ярким примером того, что децентрализованная энергетика развивается для решения конкретных проблем там, где традиционные решения бессильны.
Мы разобрали технологии, на которых может базироваться децентрализованная энергетика, но не затронули целого каскада социально экономических преобразований, которые могут сопутствовать внедрению этой технологии. Мы разбирали как нефтяное лобби сдерживало развитие электротранспорта, направляя развитее прогресса по своим, удобным им, рельсам. Но что если триггерами социально-экономических преобразований послужат новые модели монетизации, цифровизации и токенизации? Может быть, тогда децентрализованной энергетике дадут зелёный свет?
Каждое новое поколение техники вело за собой коренную реорганизацию общества. Новые технологии зачастую принципиально отличались от тех, что придумывали и рисовали фантасты, футурологи, и так далее.
В прошедшем году в новостях проскочило несколько новых проектов, по масштабам сравнимых с проектом по изобретению атомных бомб (манхеттенский проект).
Это:
Китайский проект JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) по обнаружению нейтрино
Место для обсерватории было выбрано так, чтобы она находилась между двумя атомными электростанциями (АЭС Янцзян и АЭС Тайшань), при этом расстояние до них является одинаковым: 53 км. Основным источником нейтрино/антинейтрино для обсерватории являются их атомные реакторы.
исследования показали небольшую, но заметную разницу между результатами измерений солнечных и реакторных нейтрино, что, по мнению ученых, намекает на возможность новой физики.
Измерения 2397 нейтрино ядерных реакторов, проведенные JUNO, подтвердили эту разницу.
Старый детектор Супер-Камиоканде, Новый детектор Гипер-Камиоканде, И к ним генератор нейтрино – ускоритель J-PARC
Теория всего происходящего очень проста (если очень, очень упрощать физику).
«Откуда-то» прилетает нейтрино, втыкается (насколько это слово применимо к квантовой физике) в атом, из атома вылетает электрон на скорости выше, чем скорость света в воде (или скорость света в другом наполнителе. Например, в смеси химикатов - 1,2,4-триметилбензола и додекана.
Вылетевший электрон начинает излучать свет, возникает черенковское излучение, более известное как «такой синий цвет в воде при работе реактора». Свет ловится фотодетектором, и можно получить и направление «откуда прилетело», и посчитать примерную энергию прилетевшего нейтрино.
Или, откуда-то прилетает антинейтрино, но это уже другая история.
В чем новость? (для меня новость, для тех, кто давно этим интересуется – не такая уж и новость).
В том, что все эти детекторы теперь показывают не только направление, откуда прилетело нейтрино, но и энергию прилетевшего нейтрино с точностью, достаточной для того, чтобы разделять нейтрино «из космоса» и нейтрино «от реакторов». В китайском эксперименте устойчиво ловят нейтрино на расстоянии 53 километра.
В старом японском детекторе ловили нейтрино из реакторов в Корее, до которых 700-800 километров. Ловили немного, 2.5% от общего числа, но ловили.
Точнее, «ловили» нейтрино и антинейтрино с самого начала опытов по обнаружению, с опытов Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса 1955-1956 года, за что спустя 40 лет, в 1995 году, Фредерик Райнес получил Нобелевскую премию, вопрос "сколько" и "как точно".
Что это дает?
Расположение гражданских и части военных реакторов известно, остается построить еще десяток детекторов, и отслеживать реакторы подводных лодок. Точность по направлению, конечно, будет невысока, но достаточна для того, чтобы начать отслеживание другими средствами – что это тут такое неучтенное, излучает.
Нижняя и верхняя матрицы ламп фотоумножителя подготовлены для LZ в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте.
Австралийские исследователи внесли ключевой вклад в успех эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) — самого чувствительного детектора темной материи в мире, расположенного на глубине километра под землей в Южной Дакоте. Недавно опубликованные результаты еще больше сузили границы поиска слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs) — одного из вероятных кандидатов на роль темной материи, которая составляет около 27% массы Вселенной (или 85% ее вещества). Анализ данных, собранных за 417 дней с марта 2023 по апрель 2025 года с помощью 10-тонного детектора с жидким ксеноном, не выявил доказательств темной материи с массами от 3 до 9 гигаэлектронвольт (ГэВ), установив лучшие в мире ограничения выше 5 ГэВ.
Доктор Тереза Фрут из Школы физики Сиднейского университета и доктор Роберт Джеймс из Мельбурнского университета — двое из международной команды в 250 ученых. Доктор Фрут сыграла важную роль в запуске детектора, работая над ним десять лет, включая периоды в Оксфордском университете и Университетском колледже Лондона. Доктор Джеймс руководил статистическим анализом. Оба — сотрудники Центра передового опыта ARC в области физики частиц темной материи.
Результаты представляют собой новую веху: впервые LZ зарегистрировал солнечные нейтрино (на основе бора-8), образующиеся в термоядерных реакциях в центре Солнца. Это произошло через процесс когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах (CEvNS), открытый в 2017 году. Ранее такие взаимодействия наблюдались в детекторах PandaX-4T и XENONnT.
"Удивительно, что наш детектор достаточно чувствителен, чтобы улавливать нейтрино от Солнца, — сказала доктор Фрут. — Мы открываем дверь в физику Солнца и нейтрино, продолжая поиски темной материи. Может показаться странным радоваться отсутствию открытия, но это приближает нас к цели".
Доктор Джеймс отметил: "LZ впервые статистически значимо наблюдал солнечные нейтрино бора-8 через CEvNS и установил ведущие ограничения на темную материю выше 5 ГэВ. Было интересно моделировать детектор в этом режиме".
Такая чувствительность — успех и вызов: солнечные нейтрино могут имитировать слабые сигналы темной материи, создавая "нейтринный туман". Для детекторов меньших масс нейтрино становятся фоном, но при больших массах (например, 100 раз большего протона) это меньше влияет.
Доктор Энн Ванг из SLAC объяснила: "Мы минимизировали данные и калибровали детектор, чтобы отличать солнечные нейтрино от сигналов темной материи".
Результаты, объявленные 8 декабря на конференции в Санфордском центре, опубликованы на arXiv и будут в Physical Review Letters. Ученые планируют продолжить сбор данных до 2028 года и работают над XLZD — следующим поколением детектора жидкого ксенона. Доктор Фрут была ведущим редактором книги о его дизайне в European Physical Journal C.
"Темная материя существует — мы видим ее гравитационное влияние, — сказала доктор Фрут. — Эти результаты демонстрируют исключительную чувствительность LZ. Если темная материя взаимодействует в тестируемом диапазоне, мы это обнаружим".
Австралия продолжает вносить вклад в глобальный поиск, один из ключевых вопросов современной физики. Команда LZ включает многолетние усилия многих ученых, подчеркивая важность международного сотрудничества.
Геонейтрино — это нейтрино и антинейтрино, которые рождаются в результате радиоактивного распада элементов в недрах нашей планеты. Большинство из них — это электронные антинейтрино, возникающие при распаде долгоживущих изотопов урана-238, тория-232 и калия-40.
Сами по себе нейтрино — это фундаментальные частицы, настоящие "призраки" Вселенной. Они не имеют электрического заряда, их масса почти нулевая, и они пронизывают все вокруг триллионами каждую секунду, ПРАКТИЧЕСКИ ни с чем не сталкиваясь.
Создаваемые по всему миру нейтринные детекторы позволяют "ловить" эти частицы. Поскольку геонейтрино беспрепятственно проходят через толщу Земли, они являются уникальным прямым источником информации о процессах, протекающих в ее глубинах, куда невозможно проникнуть физически. Их изучение помогает определить, какая доля внутреннего тепла Земли (а его выделяется около 47 Тераватт) генерируется радиоактивным распадом, а также оценить количество и распределение соответствующих элементов. Эти данные критически важны для понимания геодинамики и тепловой эволюции нашей планеты.
Эти "призрачные" частицы служат проводниками в недоступные иным способом места. Помимо геонейтрино, существуют, например, солнечные нейтрино, которые позволяют заглянуть прямо в ядро нашего Солнца и изучать протекающие там термоядерные реакции.
Его чувствительность настолько высока, что всего за 59 дней работы он провел измерения ключевых параметров нейтрино с точностью, на достижение которой в рамках предыдущих экспериментов потребовалось почти полвека!
