Аннотация: Идея, как обнаружить самые древние низкоэнергетические нейтрино.
В научно-популярной литературе постоянно напоминается, что у нейтрино исключительная проникающая способность. Эти неуловимые частицы способны незамеченными пролететь сквозь толщу свинца толщиной до соседней звезды.
Но представим себе звездолет, приближающийся к скорости света. По мере разгона любое встречное излучение сдвигается по спектру в сторону все более жесткой радиации. Даже обычный свет станет ультрафиолетовым, затем рентгеновским, затем смертоносным гамма-излучением.
Мы так привыкли к несущественности нейтрино, что писатели фантасты не задумываются: с увеличением скорости звездолету придется идти навстречу все более плотному потоку этих всепроникающих частиц. Однако нейтрино будут уже не столь безобидны.
Это нейтрино низких энергий ни с чем не взаимодействуют. Нейтрино с энергией менее нескольких мегаэлектронвольт пройдет сквозь толщу воды в сотню световых лет толщиной. Ибо не способно взаимодействовать с материей электромагнитно, а только гравитационно и с помощью слабого взаимодействия. Но слабое взаимодействие зависит от энергии. При энергиях в сотни гигаэлектронвольт энергия слабого взаимодействия становится сравнима с энергией электромагнитного.
Разумеется, невозможно разогнать никакой звездолет до скорости столь близкой к скорости света, что энергия встречных нейтрино достигнет гигаэлектронвольт.
Невозможно разогнать до такой скорости даже небольшой детектор частиц.
Но вместо детектора можно ускорить мизерное количество специально выбранного изотопа, из тех, которые обычно используются в детекторах нейтрино. Затем можно измерить количество прореагировавшего вещества в зависимости от скорости и длины пути.
Это можно назвать зондированием реликтового нейтринного фона. Предложенный мной эксперимент мог бы дать ответ сразу на несколько фундаментальных загадок физики и астрономии.
Идея простая: если нейтрино не идут к нам, то надо пойти им навстречу.
Этот эксперимент, возможно, мог бы раскрыть тайну темной материи, помог бы замерить фон реликтовых нейтрино, что даст подсказку об общей геометрии и дальнейшей судьбе Вселенной.
Если кто не знает, что такое реликтовые нейтрино:
Почти все слышали про реликтовый электромагнитный фон, но есть еще древнее него, более невидимый, он еще ближе к началу Вселенной.
Теория предсказывает, что тогда появилось очень много нейтрино, которые во время быстрого остывания первичной материи, потеряли способность взаимодействовать и словно "выпали в осадок". В нашу эпоху их энергия чрезвычайно мала, они совершенно невидимы, но реликтовых нейтрино много. Настолько много, что они могут составлять скрытую массу в скоплениях галактик и с помощью нейтрино пытаются частично объяснить феномен темной материи.
Обычно в самых мощных ускорителях вроде Большого Адронного Коллайдера разгоняют протоны или другие адроны, но не ионы атомов средней массы. Но в данном случае мишенью и детектором были бы сами ионы. Чтобы встречные нейтрино имели энергию в районе хотя бы мегаэлектронвольт, кинетическая энергия ионов должна быть соответственно гораздо больше. Ведь собственная масса нейтрино чрезвычайно мала по сравнению с массой ионов.
Тут действует эффект релятивистского сложения скоростей.
К сожалению такой эксперимент по зондированию реликтового нейтринного фона не осуществим на нынешнем уровне развития технологий.
Современные ускорители для такого эксперимента наверняка не подходят. Большой Адронный Коллайдер разгоняет протоны до 0,999999991 скорости света, но ионы до меньшей скорости, что очень далеко до требуемого эффекта взаимодействия с нейтринным фоном. А общий вес разогнанного материала измеряется ничтожнейшими долями грамма.
Имеет значение количество разогнанных ионов, оно желательно быть немалым. Еще имеет значение длина пробега разогнанных ионов: ионы изотопов потребовалось бы крутить в кольце ускорителя продолжительное время, чтобы больше ядер прореагировало с нейтринным фоном.
То есть ускоритель, пригодный для такого эксперимента, должен быть просто гигантским. Во-первых диаметр кольца, многократно больше чем всё сейчас построенное.
Не все нынешние детекторы нейтрино имеют размеры в кубические километры, но речь идет о, как минимум, десятках тонн материала; и они едва способны уловить единицы частиц из всего потока. Значит в ускорителе продолжительное время придется крутить многие и многие тонны ионов, разогнанных до сумасшедших релятивистских скоростей. Для разгона потребуется безумная энергия, далекая от возможностей современной цивилизации. Про удорожание стоимости физических установок писали еще давно, было предложение совмещать приятное с полезным, например использовать ускоритель заодно как накопитель энергии. Правда это был бы весьма опасный накопитель энергии, который лучше построить в космосе.
Удобно, что в космосе ускорители могут быть бескорпусными и очень большими, не надо поддерживать вакуум.
Это новое слово в нейтринной астрономии, поскольку позволит замерить даже низкоэнергичные фоновые нейтрино. Было бы интересно узнать, не меняется ли этот фон со временем, то есть прощупать равномерность распределения при движении планеты в пространстве. Ведь нейтрино поддается законам тяготения, а при низкой скорости даже могут скапливаться вокруг массивных объектов.
Есть ли косвенные признаки, которые могут предсказать осуществимость или не осуществимость этого эксперимента хотя бы в далеком будущем?
У высокоэнергетических частиц в отношении реликтовых фотонов предсказан предел ГЗК (Предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина), который пока не подтвержден в силу недостаточности данных по космическим лучам. Летящие из дальнего космоса частицы (протоны) с энергией 10в19 степени электронвольт должны терять энергию на взаимодействие с реликтовым фоном фотонов. Но ведь и с реликтовым фоном нейтрино нейтрино на таких энергиях что-то должно взаимодействовать.
Однако, тут все еще значительно сложнее, поскольку даже если в нашу сторону летят из дальнего космоса какие-то сверхразогнанные ионы то их изначальный изотопный состав нам не известен. Поэтому так просто нельзя сказать взаимодействовали они с нейтринным фоном или нет.
Другое дело, если начальные условия известны в ускорителе и тогда можно получить какие-то количественные данные.
Есть еще гипотеза, что существуют более тяжелые неизвестные нейтральные частицы, которые могут взаимодействовать с нашей материей только через слабое взаимодействие как нейтрино, поэтому скрыты. В дальнейшем и эту гипотезу тоже можно проверить.
Однако, вроде бы существует малоизученный эффект ускорения скорости распада некоторых изотопов под действием сезонного изменения плотности потока солнечных нейтрино. Об этом коротко написано здесь:
http://samlib.ru/z/zloradowich_r/geohrono.shtml
Возможно, объединив две идеи, получится провести зондирование реликтового нейтринного фона не с такими страшными энергозатратами, доступными только в очень далеком будущем.
zloradovich (c) 2023
------------
Подробнее о возникновении фона реликтовых нейтрино: Вайнберг "Первые три минуты".