Реликтовые нейтрино и антинейтрино расскажут о первых минутах Вселенной
Ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН рассчитали спектр нейтрино, образующийся при распаде нейтронов и атомов трития в ранней Вселенной. Как они отмечают, формирующиеся при этом нейтрино и антинейтрино вполне можно зарегистрировать имеющимися на сегодняшний день техническими средствами. Если это удастся реализовать на практике, то такие реликтовые нейтрино и антинейтрино станут ценным источником данных об эпохе образования первых атомов. Соответствующая статья направлена на публикацию в Physical Review D, а с ее препринтом можно ознакомиться на сайте Корнелльского университета.
Исследователи рассчитали, как происходил распад самых первых нейтронов и атомов трития в ранней Вселенной. Выяснилось, что для энергий выше 0,01 электронвольта поток первичных нейтрино и антинейтрино от таких распадов должен быть заметно больше, чем у реликтового фонового нейтринного излучения. Правда, отмечают ученые, сами по себе нейтрино и антинейтрино от событий, случившихся 13,8 миллиардов лет назад зарегистрировать будет трудно — их энергия будет близка к одной десятитысячной электронвольта.
Впрочем, констатируют авторы, уже довольно давно предложены механизмы экспериментов, позволяющие зарегистрировать такие реликтовые нейтрино и антинейтрино. Сегодня для обнаружения нейтрино используются размещенные на глубине крупные водные детекторы. Однако этот метод для нейтрино малых энергий не сработает — вспышка при их прохождении через водный детектор будет слишком слабой, чтобы ее можно было зарегистрировать. Тем не менее, обнаружить нейтрино малых энергий можно. Для этого предлагается использовать процесс бета-распада ядра атома в лаборатории. Дополнительная энергия от захваченного лабораторным бета-распадом реликтового нейтрино будет заметна по сдвигу параметров частиц, образующихся в ходе этого распада (например, изменению энергии электрона).
Для антинейтрино методом обнаружения может стать аналогичный способ, но только с распадом ядра атома после захвата электрона (подобные процессы ведут к превращению атома криптона-81 в атом брома-81). Параметры этого процесса изменятся после захвата реликтового антинейтрино — вновь продукты распада атома получат слегка другую энергию.
Исследователи особо отмечают — вероятность, что их расчеты о существовании значительного количества реликтовых нейтрино и антинейтрино верны — довольно высока. Наблюдаемое астрономами количество водорода, гелия и лития во Вселенной весьма близко к ранее предсказанным в расчетах физиков. А эти расчеты включают и образование нейтрино и антинейтрино в ранней Вселенной в ходе первичного нуклеосинтеза (образования первых атомов). Данный факт означает, что частота образования нейтрино и антинейтрино скорее всего так же предсказана достаточно точно.
Если подобные реликтовые нейтрино удастся зарегистрировать, это станет огромным шагом вперед в изучении ранней Вселенной. До сих пор астрофизикам удавалось проникнуть наблюдательными средствами не далее 380 000 лет от Большого взрыва. Известно, что нейтрино могут сравнительно свободно проходить через плотное вещество, а значит по их параметрам можно будет лучше понять — что именно происходило во Вселенной вплоть до момента, отстоящего всего на несколько минут от Большого взрыва.