ФИЗИКИ НА ШАГ БЛИЖЕ К ИСТОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

11 января 2021, 10:58

Исследователи Алфёровского университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе впервые рассчитали спектр нетепловых реликтовых антинейтрино — загадочных элементарных частиц, сохранившихся с эпохи Большого взрыва. Это открытие позволит понять, как выглядела и формировалась Вселенная в первые минуты после её рождения. Статья опубликована в Physical Review D, отмечена редакцией как «Highlighted Articles», а также анонсирована в  Nature Physics.

 

Нейтрино — одна из загадочных частиц Вселенной. Её можно назвать частицей-призраком: каждую секунду миллиарды этих частиц проходят через наши тела и все предметы вокруг, практически никак не взаимодействуя с другими частицами, из которых мы состоим. Физикам Алфёровского университета и ФТИ им. А. Ф. Иоффе удалось «познакомиться поближе» с самыми древними разновидностями этих частиц.

 

«Около 40 лет назад сформировались теоретические представления о том, из чего действительно мы все состоим — Стандартная модель физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. С открытием бозона Хиггса эта модель получила окончательное экспериментальное подтверждение. Всё, из чего мы состоим, и всё, что мы можем изучать в лаборатории, построено из фундаментальных “кирпичиков” материи. Одними из них являются нейтрино и их античастицы  — антинейтрино», — объясняет Александр Владимирович Иванчик, доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН, заведующий кафедрой физики космоса Алфёровского университета.

Согласно Стандартной модели, — общепринятой теории строения нашего мира — помимо привычных нам электронов, протонов и нейтронов, существуют и другие фундаментальные частицы. Нейтрино — легчайшая, обладающая массой, элементарная частица среди них. Её свойства уникальны: такие частицы могут проходить через любые объекты, практически не взаимодействуя с другими частицами. Они бывают трех сортов (электронное, мюонное и тау-нейтрино) и способны взаимно превращаться друг в друга без какого-либо воздействия (нейтринные осцилляции). Кроме того, нейтрино обладают настолько малой массой, что долгое время считалось, что её у нейтрино в принципе нет. За доказательство наличия массы у нейтрино была даже присуждена Нобелевская премия.

 

Петербургские физики впервые рассчитали спектр нетепловых реликтовых антинейтрино первичного нуклеосинтеза — частиц, которые образовались в первые минуты после Большого Взрыва. На этом этапе нейтрино и фотоны играли одну из ключевых ролей. Они определяли скорость расширения Вселенной на начальной стадии её эволюции: примерно первые 50 тыс. лет.

 

Чтобы рассчитать спектр реликтовых нетепловых антинейтрино, учёные провели численное моделирование процессов первичного нуклеосинтеза — это процесс, протекавший в первые минуты после Большого взрыва. В ходе него возникли первые легкие элементы, такие как дейтерий (тяжелый водород), гелий, литий, в том числе и бетта-распадные нейтроны и тритий (сверхтяжелый водород). В результате распада нейтронов и трития и образуются нетепловые реликтовые антинейтрино первичного нуклеосинтеза. Расчёты первичного нуклеосинтеза в мире ведутся уже достаточно давно при помощи специальных компьютерных программ. В России развивать такие программы стали астрофизики из ФТИ им. Иоффе.

 

Открытие позволит узнать, как выглядела Вселенная с первых секунд её рождения. На данный момент электромагнитное реликтовое излучение позволяет лишь увидеть какой была Вселенная через 400 тысяч лет после Большого взрыва! Когда-нибудь реликтовые нейтрино и антинейтрино помогут учёным заглянуть и в самые ранние моменты эволюции нашей Вселенной. 

 

«Мы изучаем наш мир и наше место в этом мире. Когда познают загадки и тайны природы, никогда не задумываются, какой практический эффект это может принести. Однако все фундаментальные исследования рано или поздно находят своё практическое применение. Сначала такие исследования кажутся оторванными от реальности, а затем они становятся прикладными. Даже в процессе создания приборов для исследования природы совершенствуются имеющиеся и возникают новые технологии, которые могут быть использованы для решения других задач», — уверен Александр Иванчик.

 

Тем не менее исследованиям нейтрино уже нашли прикладное применение. В попытках обнаружения реликтовых нейтрино создаются более совершенные приборы для изучения космоса, которые позволят подробнее исследовать его строение и эволюцию. В астрофизике даже появилось новое направление — нейтринная астрономия. Дело в том, что именно эти частицы дают уникальную информацию о космосе благодаря своей огромной проникающей способности. Они свободно проходят сквозь Землю и Солнце, позволяя исследовать их внутреннюю структуру. Ещё нейтринная астрономия позволяет исследовать явления за пределами нашей галактики. При взрыве сверхновой нейтринный всплеск придёт на несколько часов раньше чем электромагнитное излучение, что даёт возможность исследователям подготовить наземные и орбитальные обсерватории к регистрации этого уникального явления. А современные нейтринные телескопы впервые позволили зарегистрировать нейтрино сверхвысоких энергий от активных ядер галактик, которые находятся на гигантских космологических расстояниях.