В нескольких словах
Международная команда ученых в Подземной лаборатории Канфранк (Испания) строит уникальный детектор в рамках проекта NEXT для изучения нейтрино. Цель — экспериментально доказать, что нейтрино является собственной античастицей, что может объяснить фундаментальную загадку преобладания материи над антиматерией во Вселенной и, следовательно, тайну нашего существования. Результаты ожидаются к 2035 году.
В Канфранке, поселке с населением 612 человек в арагонских Пиренеях, погода может быть унылой, с непроницаемыми облаками и пронизывающим холодом. Но под землей, в Подземной лаборатории Канфранк (LSC), расположенной в нескольких километрах от границы с Францией, международная команда ученых ищет ответы на фундаментальные вопросы о происхождении Вселенной.
Карлос Пенья, директор LSC, объясняет суть главного эксперимента: «Основной вопрос: почему природа выбрала материю, а не антиматерию?». Чтобы понять вклад LSC, нужно разобраться в некоторых основах. Известная нам Вселенная — звезды, планеты, мы сами — состоит из атомов, которые включают протоны, нейтроны и электроны. Это материя. У каждой частицы материи есть античастица. Например, у электрона (отрицательный заряд) — позитрон (положительный заряд).
Особый интерес вызывают нейтрино. Эти частицы распространены во Вселенной, но почти не взаимодействуют с материей, не имеют заряда и пронизывают Землю практически незамеченными. Их уникальность в том, что они могут быть одновременно и материей, и антиматерией. «В квантовой механике, если что-то неотличимо от другого, оно является и тем, и другим одновременно. Поэтому мы считаем, что нейтрино — это и материя, и антиматерия», — поясняет Пенья. Поскольку нейтрино не имеет заряда и внутренней структуры, его античастица (антинейтрино) должна быть идентична ему. Это ключ к эксперименту в LSC.
Лаборатория расположена внутри туннеля Сомпорт, соединяющего Испанию и Францию. Это пространство размером с промышленный ангар, открытое в 2006 году. Подобных лабораторий в Европе всего три, есть также в США, Канаде, Корее и Японии. В LSC проводятся различные эксперименты: поиск вимпов (возможный тип темной материи), поиск аксионов (другие кандидаты в темную материю), а также биологические исследования влияния низкой космической радиации на живые организмы.
Над лабораторией находится 800 метров скальной породы — естественный щит от космических лучей (частиц высокой энергии от Солнца, сверхновых и других галактик). «Если бы этот космический шум достигал нас, мы не смогли бы увидеть те крайне редкие явления, которые пытаемся здесь обнаружить», — говорит Пенья. Однако нейтрино без труда проходят сквозь гору к гигантскому детектору, установленному в LSC.
В главной экспериментальной зоне, доступ в которую ограничен, находится установка проекта NEXT — международного сотрудничества под руководством Испании, объединяющего более 130 исследователей. Цель — зафиксировать теоретически предсказанное явление, которое поможет объяснить происхождение нашей Вселенной.
Пенья возвращается к нейтрино: «Квантовая физика предполагает, что нейтрино — это одновременно материя и антиматерия. Только при детектировании оно 'выбирает' одно из состояний». Но как это связано с происхождением Вселенной? Согласно законам физики, при Большом Взрыве должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. При встрече они аннигилируют, оставляя только энергию (свет). Если бы все было симметрично, Вселенная состояла бы только из света. Но мы существуем. «Большая часть Вселенной — это свет, мы — лишь три части на каждые 10 миллиардов», — объясняет Пенья.
Это означает, что симметрия была нарушена, и остался избыток материи. Физики не знают почему, но подозревают, что ответ кроется в нейтрино. «Этот 'шпион', способный 'общаться' и с материей, и с антиматерией, мог сделать аннигиляцию неидеальной, позволив материи победить», — говорит Пенья.
«Здесь мы пытаемся доказать, что нейтрино одновременно является материей и антиматерией», — рассказывает он перед детектором. Текущая установка — это прототип. Окончательная версия, которая сможет регистрировать искомую реакцию (два нейтрино, аннигилирующих друг с другом) примерно раз в год, уже строится — это будет резервуар высотой почти пять метров. В текущем, меньшем детекторе (около двух метров), такое событие ожидалось бы раз в сто лет.
Параллельно в Японии развивается другой ключевой эксперимент, который должен показать, остается ли избыток материи при аннигиляции двух нейтрино. Его результаты ожидаются к 2030 году. Результаты эксперимента в Канфранке появятся к 2035 году. «Это фундаментальный ответ. Он позволит нам понять, откуда мы взялись, откуда взялись частицы, из которых мы состоим. Мы узнаем механизм, благодаря которому победили протоны, нейтроны, электроны», — заключает Пенья.
История LSC началась в заброшенном железнодорожном туннеле, построенном в 1928 году и закрытом в 1970-м. В 1985 году физик Анхель Моралес из Университета Сарагосы и его команда приспособили фургон для движения по рельсам и провели первые измерения, подтвердив, что толща скалы идеально экранирует космические лучи, создавая условия для поиска редких частиц. Этот импровизированный эксперимент стал предтечей одной из самых передовых научных инфраструктур Европы.
Автор: Иван Петров — Специалист по технологиям, науке и кибербезопасности. Анализирует тренды, разбирает новые технологии и их влияние.
