Нейтрино: як вчені розгадують таємницю частинок-привидів

Уявіть собі частинку настільки невловиму, що понад 100 трильйонів таких частинок можуть проходити крізь вас щосекунди, а ви навіть не помітите цього. Ці частинки називаються нейтрино, і вони не лише існують, але й є настільки поширеними, що посідають друге місце за кількістю у Всесвіті після фотонів, які формують світло.

Ефемерна природа нейтрино, які цілком зрозуміло прозвали частинками-привидами, означає, що попри їхню поширеність і той факт, що нас постійно бомбардують трильйони таких частинок, науковці досі не змогли точно визначити багато їхніх характеристик. Наприклад, їхня маса залишається загадкою. Це викликає занепокоєння, адже величезна кількість нейтрино у спостережуваному Всесвіті, приблизно десять у степені 87, означає, що вони мали відігравати ключову роль у розвитку космосу, навіть попри те, що рідко взаємодіють з іншими частинками матерії.

Вчені припускають, що нейтрино були життєво важливими у процесі, який призвів до того, що матерія значно переважила антиматерію у Всесвіті. Матерія та антиматерія мали бути створені у рівних кількостях під час Великого вибуху, адже вони складаються з тих самих компонентів частинок, лише з протилежними зарядами. Тому залишається загадкою, як одна з них отримала перевагу над іншою. А оскільки коли матерія та антиматерія зустрічаються, вони анігілюють одна одну, то якби не процес, який дав матерії перевагу, Всесвіт міг би взагалі залишитися без матерії.

Вчені сповнені рішучості дістатися до суті цієї космічної таємниці. Як можна здогадатися, хоча нейтрино створюються безліччю космічних подій, таких як зорі та наднові, а також ядерними реакторами тут, на Землі, той факт, що вони практично не мають маси, позбавлені заряду і рухаються космосом майже зі швидкістю світла, означає, що виявити їх надзвичайно складно.

Обрані науковці зібралися в рамках конкурсу з наукової політики та адвокації досліджень 2025 року, щоб розгадати таємницю цих космічних привидів. Десятитижнева серія семінарів має на меті озброїти вчених необхідними навичками в галузі наукової політики та комунікації, допомагаючи їм перекладати складні дослідження на зрозумілі повідомлення для нефахової аудиторії.

Карім Хассінін, аспірант Університету Х'юстона та учасник програми, розповів у заяві: «Мене завжди захоплювало те, як ми витягуємо інформацію з реальності, навіть коли не можемо повністю визначити, що таке реальність. Теорія, по суті, є різновидом розповіді історій, і кожна модель є лише одним способом бачення світу. Через цю програму я сподіваюся навчитися перекладати ці складні шари наукового мислення в історії, які може зрозуміти кожен, щоб люди бачили не лише дані, а й диво відкриття».

Хассінін розробив новий спосіб мислення про нейтрино, який виник у результаті викладання курсу фізики для студентів, коли він побачив, що його студенти мають різні погляди на ці космічні привиди. Він приносить цей новий підхід до програми і, через неї, до ширшої загальної аудиторії.

«Технічні деталі завжди будуть на місці, але важливо показати людям призначення науки та те, як вона формує наш світ», зазначив Хассінін. «Наше повсякденне життя залежить від технологій, а технології залежать від науки. Завдяки програмі я отримав нову перспективу того, наскільки важливо подолати прірву між складними дослідженнями та розумінням громадськості, адже наукова комунікація справді має значення скрізь».

У своїх дослідженнях Хассінін використовує комп'ютерне моделювання для вивчення того, як нейтрино здійснюють свою примарну магію, проходячи через різні типи матеріалів. «Ми повідомляємо генератору, скільки нейтрино ми хочемо використовувати, який тип нейтрино і з яким матеріалом ми хочемо, щоб нейтрино взаємодіяло», пояснив Хассінін. «Без взаємодій нейтрино ми нічого не знаємо про нейтрино. Ми повинні глибоко щось зрозуміти, перш ніж зможемо зрозуміти, як це застосувати».

Мегна Бхаттачар'я, постдокторант Національної прискорювальної лабораторії Фермі, є ще однією дослідницею, яка полює на нейтрино, зосереджуючись на алгоритмах, які можуть ідентифікувати нейтрино, викинуті у Всесвіт, коли масивні зорі досягають кінця свого життя і вибухають як наднові.

Робота Бхаттачар'ї відіграватиме ключову роль у розробці глибинного підземного експерименту з нейтрино, двох детекторів нейтрино, розміщених в інтенсивному пучку трильйонів нейтрино, які зараз розробляються поблизу лабораторії Фермі в Іллінойсі, та віддаленого детектора в підземному дослідницькому центрі Санфорд у Південній Дакоті.

«Ці інструменти розроблені для інтеграції в експеримент, що сприяє вирішенню основних питань про еволюцію Всесвіту, а також просуває обчислювальні методи у фізиці», розповіла Бхаттачар'я. «Інструменти, які розробляються для відповіді на фундаментальні наукові питання, часто призводять до ширших практичних застосувань. Наприклад, такі технології, як протонні пучки, спочатку використовувані у фізиці елементарних частинок, тепер застосовуються для лікування раку».

Для Бхаттачар'ї привабливість програми полягає у можливості поділитися історією своїх досліджень з ширшою аудиторією та донести до цієї аудиторії інформацію про її ширший вплив на суспільство. «Дивлячись у майбутнє, я сподіваюся розвиватися як комунікатор і ефективніше виступати за науку, не лише навчитися перетворювати складні дослідження на доступні розповіді, але й передавати захоплення від моїх досліджень», підсумувала вона.