CC BY
0Кроме того, использование такой структуры обучения способствует формированию когнитивных моделей, которые помогают в дальнейшем применении квантовых технологий. Студенты становятся способными критически анализировать новые разработки и вносить идеи на основе существующих знаний, что является необходимым навыком в стремительно развивающейся научной области.
Литература
1. Coecke B.,Kissinger A. Picturing Quantum Processes: A First Course in Quantum Theory and Diagrammatic Reasoning. Cambridge: Cambridge University Press; 2017. 746p.
2. Yanofsky N.S.,Mannucci M.A. Quantum Computing for Computer Scientists. New York: Cambridge University Press; 2008. 402p.
3. de Wolf R. Ethics Inf. Technol. 2017;19(4), 271-276.
4. VII International Conference on Quantum Technologies (ICQT-2023) Moscow, 2023 https://conference.rqc.ru/
5. Steane A.M., Rieffel E.G. Computer. 2000; 33(1), 38-45.
6. Q-CTRL and the Quad Investors Network partner to build diverse quantum workforces in Australia and the US. Availablefrom: https://q-ctrl.com/blog/q-ctrl-and-the-quad-investors-network-partner-to-build-diverse-quantum-workforces-in-australia-and-the-us[дата обращения 30 октября 2024].
7. Johnston E.R., Harrigan N., Gimeno-Segovia, M. Programming Quantum Computers: Essential Algorithms and Code Samples.Beijing, Boston, Farnham, Sebastopol, Tokyo: O'Reilly Media; 2019. 336p.
8. Менский М.Б. Человек и квантовый мир. Фрязено: «Век2», 2007. 320 с.
9. Kaye Ph., Laflamme R., Mosca M. An Introduction to Quantum Computing. New York: Oxford University Press; 2006. 274p.
10. Steane A. Rep. Prog. Phys. 1998;61(2), 117-173.
11. Singh R., Ratnaparkhi P., Behera B., Panigrahi P. Student Journal of Physics. 2018; 16 (4), 143-152.
12. Nielsen M.A., Chuang I.L. Quantum Computation and Quantum Information. New York: Cambridge University Press; 2010. 702p.
13. Bernhardt Ch. Quantum Computing for Everyone. Cambridge, London: The MIT Press; 2019. 216p.
ОСЦИЛЛЯЦИИ НЕЙТРИНО: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В АСТРОНОМИИ
А.Д.Янкевич1, А.Б.Бучарская2,3 1 Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия 2 Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского, Саратов,
Россия
3 Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия
Данный обзор посвящен перспективам практического применения в астрономии исследований осцилляций нейтрино во внешнем магнитном поле. Развитие теории осцилляций нейтрино создает возможности для исследования астрофизических объектов, обнаружения новых элементарных частиц, а также могут помочь в объяснении барионной асимметрии - преобладания вещества над антивеществом во Вселенной.
DOI:
ВВЕДЕНИЕ
Существование новой элементарной частицы - нейтрино было высказано Вольфгангом Паули при описании Р-распада в письме участникам физической
конференции в Тюбингенев 1930 году[1]. Бруно Понтекорвов 1946 году предложил возможность детектировать нейтрино от солнца, реакторов или ускорителей заряженных частиц, используя процесс, обратный бета-распаду [2]. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн впервые смогли экспериментально запечатлеть результаты взаимодействия нейтрино используя ядерный реактор деления в качестве источника частиц, а хорошо экранированный сцинтилляционный детектор - в качестве детектора в 1956 году[3].
Нейтринные осцилляции - квантово-механическое явление, впервые предложил гипотезу осцилляций нейтрино Бруно Понтекорво в 1957 году [4]. Под осцилляциями понимаются самопроизвольные переходы между различными ароматами нейтрино при их распространении при условии, что массы покоя нейтрино тождественно не равны нулю. Ароматы нейтрино — это квантовые числа, которые связывают разные виды нейтрино с соответствующими лептонами, их партнерами по слабому взаимодействию — электроном, мюоном и тяжелым тау-лептоном. Впоследствии осцилляции нейтрино изучали в 1962 году Маки, Накагава и Саката, которые объяснили знаменитую солнечную нейтринную аномалию наличием осцилляций нейтрино [5]. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзита и Артуру Макдональду за экспериментальное подтверждение существования нейтринных осцилляций [6].
Важность и актуальность исследований нейтринных осцилляций обусловлена тем, что знания о нейтринных осцилляций дополняют Стандартную модель физики элементарных частиц, которая ранее не могла объяснить явление «солнечных нейтрино», кроме того, исследования в этой области позволяют исследовать электромагнитные свойства нейтрино, а также природу и иерархию масс нейтрино. Изучение теории нейтринных осцилляций может помочь в обнаружении новых элементарных частиц, а также в исследовании далеких астрофизических объектов. Активное строительство новых нейтринных телескопов класса «мегасайенс» подтверждает практическую значимость исследований в области осцилляций нейтрино.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Космические нейтрино обладают такой высокой энергией, какую нельзя получить ни на каком земном ускорителе, триллионы нейтрино исходят от Солнца, атмосферы, естественной радиоактивности в Земли, а также существуют реликтовые нейтрино, оставшиеся после Большого взрыва. Даже световой год свинца, составляющий шесть триллионов миль, может остановить лишь половину нейтрино, пролетающих сквозь него.
Благодаря этим особенностям нейтрино считаются практически идеальными источниками информации о далеком космосе и Большом взрыве.
В результате взаимодействия космических лучей с окружающим веществом при их распространении во Вселенной возникает поток нейтрино высоких и сверхвысоких энергий. Во время своего путешествия к Земле протоны высоких энергий могут взаимодействовать с космическим микроволновым или инфракрасным фоном, что приводит к образованию пионов и нейтронов, которые распадаются с образованием нейтрино, данный процесс получил название по именам авторов, открывших его, процесс Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК) [7,8]. Масштаб длины процесса ГЗК составляет 50-200 Мпк, в то время как его энергетический масштаб ограничен 5*1019 эВ. В среднем нейтрино производят ~5% энергии протонов [9]. Кроме протонов, космические лучи состоят также из ядер высоких энергий. Эти ядра иНЕ взаимодействуют с космическим микроволновым, а также инфракрасным фоном и подвергаются фотодезинтеграции. Затем образуются космические нейтрино в результате взаимодействия этих диссоциированных нуклонов с окружающей космической микроволновой и инфракрасной средой.
Точная оценка потока космических нейтрино зависит от происхождения, а также от моделей источников космических лучей модели. Существует множество строящихся или планируемых нейтринных телескопов для наблюдения таких потоков космических нейтрино. В 2018 году коллаборация 1сеСиЬе объявила о регистрации нейтрино, прилетевших из высокоэнергетического блазара TXS 0506+056, находящегося на расстоянии около 1,75 Гпк от Земли [10]. До этого самым дальним космическим объектом - источником потока нейтрино была сверхновая SN 1987Ана окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке.
В настоящее время обсерватория 1сеСиЬе является крупнейшим нейтринным телескопом. Это ледовая черенковская нейтринная обсерватория, расположенная на юге Антарктиды. Система объемом 1 км состоит из 5000 оптических датчиков, залегающих на глубинах от полутора до двух с половиной километров в толще льда. В результате взаимодействия нейтрино со льдом образуются мюоны, движущиеся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, они испускают черенковское излучение под строго определенным углом, которое регистрируется датчиками, что позволяет оценить энергию нейтрино. 1сеСиЬе-Оеп2 -это следующая генерация
^ 3
нейтринного телескопа 1сеСиЬе, объем приборов должен составит около 10 км , а эффективная площадь будет в 10 раз больше, чем у 1сеСиЬе [11].
Подводная лаборатория LSPMb Средиземном море рядом с Сицилией - это глубоководный исследовательский комплекс, оснащенный нейтринным телескопом KM3NeT (Cubic-Kilometre Neutrino Telescope)объемом не менее кубического километра, детектор состоит из 28 нитей длиной 800 метров с 18 сферическими детекторными блоками, нанизанными на каждую из них. Весь комплекс погружен под воду на глубину 3,5 км [12].
Нейтринный телескоп Baikal-GVD расположен в озере Байкал на глубине 750-1300 м, с эффективным объемом 0,35 км он был введен в эксплуатацию в 2018 году, завершение строительства ожидается в 2025 году с эффективным объемом 1,5 км . Установка представляет собой сгруппированные тросы, на которых висят 2304 фотоэлектронных умножителя, регистрирующие черенковское излучение (вспышки света от взаимодействия нейтрино с водой). С использованием Байкал-GVD исследователи уже наблюдали по крайней мере одно каскадное событие нейтрино с восстановленной энергией 91 ТэВ - в 2021 г. Baikal-GVD с разницей в 4 часа с телескопом 1сеСиЬев Антарктиде зафиксировали сигнал от нейтрино, происходящих из радиоблазара PKS 0735+17 [13].
Тихоокеанский нейтринный эксперимент (P-ONE) - это водная нейтринная обсерватория, которая размещается в бассейне Каскадии на острове Ванкувер [14]. Ожидается, что P-ONE будет завершен в 2030 году. Эти новые телескопы KM3NeT, Baikal-GVD и P-ONE улучшат возможности исследований нейтрино от ТэВ до ПэВ в южном небе.
Изучение нейтринных осцилляций может помочь в исследованиях барионной асимметрии. Известно, что с каждой частицей обычной материи соотносится соответствующая частица антиматерии, такая же по массе, но несущая противоположный электрический заряд. С точки зрения законов физики разницы между ними нет — это свойство называется СР-симметрией. Между тем очевидно, что во Вселенной обычная материя доминирует, а антивещества в ней практически нет. Более того, разница между
ними должна была проявиться еще на самых ранних этапах ее развития, в период
35 32
бариогенезиса (10- -10- секунды от Большого взрыва). Иначе равные количества вещества и антивещества взаимно уничтожили бы друг друга, и Вселенная осталась бы заполненной одними фотонами [15].
Нейтрино настолько неуловимы, что за десяток лет работы и триллионы столкновений протонов на J-PARC детектор зафиксировал в общей сложности 90 электронных нейтрино. Однако электронных антинейтрино оказалось и того меньше,
всего 15. Это позволяет предположить, что осцилляции с превращением мюонных нейтрино в электронные происходят чаще, чем аналогичный переход у антинейтрино. И если для нейтрино СР-инвариантность действительно может нарушаться, вероятно, нейтрино играли в ранней Вселенной могли быть источником барионной асимметрии [15].
В ближайшие два десятилетия планируется провести несколько астрофизических экспериментов по изучению космических нейтрино, основанных на различных нейтринных телескопах. К ним относятся вторая фаза развития нейтринного телескопа Baikal-GVD, в результате чего установка будет насчитывать более 20 кластеров (примерно 6000-7000 оптических модулей) с эффективным рабочим объемом около одного кубического километра, спутниковая миссия НАСА класса Astrophysics Probe POEMMA и Ashra Neutrino Telescope Array -обсерватории по наблюдению за воздушными ливнями, вызванными космическими лучами сверхвысоких энергий, с использованием комбинации методов наземной антенны и воздушной флуоресценции. Ожидается, что новые нейтринные детекторы улучшат чувствительность к нейтрино сверхвысоких энергий.
Важное значение имеет изучение осцилляций космических нейтрино в магнитном поле, что позволяет исследователям определять источники происхождения космических лучей. В работе [16] исследовали поток нейтрино от блазара TXS, расположенном на расстоянии 5,7 миллиарда световых лет от Земли. Поток нейтрино, преодолевая огромные расстояния от своего источника до Земли, сталкивается с межгалактическим магнитным полем. Если нейтрино обладают магнитным моментом, то возникают спин-флейворные осцилляции. Поток нейтрино может завершить 100 циклов спин-флейворных осцилляций для большой области пространства допустимых параметров. Условие уменьшения потока в два раза выполняется для источников нейтрино, лежащих на расстоянии нескольких кпк от Земли, для энергии до 1 ZeV. Будущие нейтринные обсерватории, как ожидается, будут измерять поток нейтрино от источников, расположенных на очень больших расстояниях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Открытие осцилляций нейтрино показало, что, в отличии от представлений Стандартной Модели, нейтрино имеют ненулевые массы и способны изменять свой аромат, т.е. превращаться друг в друга. Практическая значимость исследований в области осцилляций нейтрино обусловлена строительством новых нейтринных телескопов класса «мегасайенс». Развитие теории осцилляций нейтрино создает возможности для исследования астрофизических объектов, обнаружения новых элементарных частиц, а
также могут помочь в объяснении барионной асимметрии-преобладания вещества над антивеществом во Вселенной.
Литература
1. Гейзенберг В и др. Теоретическая физика 20 века. Памяти Вольфганга Паули: - Иностр.лит. Пер. с англ. 1962. 444 с.
2. Pontecorvo B., Inverse р-process, Report PD-205, National Research Council of Canada, Division of Atomic Energy, Chalk River, November 13, 1946.
3. Cowan Jr. C. L.; Reines F.; Harrison F. B.; Kruse H. W.; McGuire A. D. Science. 1956; 124 (3212), 103-104.
4. Понтекорво Б.М. ЖЭТФ. 1957;33 (2),549-551.
5. Maki Z., Nakagawa M. and Sakata S. Prog. Theor. Phys. 1962; 28, 870.
6. The 2015 Nobel Prize in Physics. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/
7. Zatsepin G.T. and Kuzmin V.A. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters). 1966; 4 (3), 78-80.
8. Greisen K. Physical Review Letters. 1966; 16 (17), 748 - 750.
9. Бедняков В.А. ФЭЧАЯ. 2002; 33 (5), 1146-1176.
10. The IceCube Collaboration et al. ,Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science. 2018, 361.
11. Icecube-gen2. https://www.icecube-gen2.de/project/index eng.html
12. The KM3NeT collaboration. Astropart. Phys. 2013;42, 7-14.
13. А.В. Аврорин и др. ЖЭТФ. 2022; 161 (4), 476-496.
14. Pacific Ocean Neutrino Experiment. https://www.pacific-neutrino.org/
15. Поведение нейтрино указало на возможное решение проблемы дефицита антиматерии во Вселенной. URL: https://naked-science.ru/article/physics/povedenie-nejtrino-ukazalo-na-vozmozhnoe-reshenie-problemy-defitsita-antimaterii-vo-vselennoj
16. Alok A.K., Mandal A. Phys. Lett. B. 2023; 839, 137791.
