How big is Високоенергетичне нейтрино?

Високоенергетичне нейтрино — це нейтрино, що несе дуже велику кількість енергії, як ті, що досягають Землі з глибин космосу. Нейтрино — елементарні частинки без електричного заряду й майже без маси. Жоден експеримент не виміряв розміру нейтрино, тому показане значення не є результатом вимірювання.

Розмір

У рядку розміру вказано 15 зептометрів, тобто 1,5 × 10⁻²⁰ метра. Зептометр — це 10⁻²¹ метра, тисячна частка мільярдної частки мільярдної частки метра. Запис 10⁻²¹ означає 1, поділену на одиницю, після якої стоїть 21 нуль. Цей сайт не вказує, яку енергію має його високоенергетичне нейтрино, а жоден експеримент не виміряв розміру нейтрино будь-якої енергії.

Для кварків експерименти принаймні встановили верхню межу розміру. Для нейтрино фізики не дійшли згоди навіть щодо того, як слід визначати розмір. Група даних про частинки (Particle Data Group), яка збирає результати вимірювань частинок з усього світу, наводить межі для величини, що називається зарядовим радіусом нейтрино. Вона також зазначає, що зміст цієї величини досі є предметом суперечок.

Добре відомо інше: як рідко нейтрино взаємодіють із будь-чим. Нейтрино відчуває лише дві з чотирьох фундаментальних взаємодій — слабку взаємодію та гравітацію. Через відсутність електричного заряду на нього не діють електричні й магнітні сили, і воно не відчуває сильної взаємодії, що зв’язує кварки.

Порівняння розмірів

Окрім гравітації, нейтрино може впливати на іншу частинку лише через слабку взаємодію, яка діє на відстані приблизно 10⁻¹⁸ метра. Це менше ніж тисячна частка ширини протона, що має в поперечнику приблизно 1,7 фемтометра (1,7 × 10⁻¹⁵ метра).
Більшість нейтрино пролітає навиліт крізь усю Землю, діаметр якої становить 12 742 кілометри, і ніщо їх не зупиняє.
Імовірність зіткнення зростає з енергією. Нейтрино з енергією 40 ТеВ (40 трильйонів електронвольтів, де електронвольт — крихітна одиниця енергії) у середньому пролітає відстань, приблизно рівну ширині Землі, перш ніж Земля його зупинить.
Щоб упіймати ті нечисленні нейтрино, які таки взаємодіють, детектор IceCube на Південному полюсі спостерігає за кубічним кілометром льоду, де на глибині від 1 450 до 2 450 метрів під поверхнею підвішено 5 160 датчиків світла.

Нейтрино з космосу

У період із травня 2010 до травня 2012 року IceCube зафіксував 28 високоенергетичних подій, що значно більше, ніж приблизно 11 подій, яких очікували від частинок, що виникли в атмосфері Землі. Дві найенергетичніші мали енергію близько 1 ПеВ кожна, або 1 000 ТеВ. У 2013 році команда IceCube повідомила про ці події як про свідчення існування високоенергетичних нейтрино з космосу.

13 лютого 2023 року детектор ARCA телескопа KM3NeT на глибині 3 450 метрів у Середземному морі поблизу Сицилії зафіксував нейтрино, енергію якого оцінюють приблизно в 220 ПеВ. Станом на 2026 рік це найенергетичніше нейтрино з усіх коли-небудь спостережених. Ця єдина частинка несла приблизно стільки енергії, скільки має тенісний м’яч, упущений із висоти 6 сантиметрів.

Науковці вважають, що такі нейтрино походять із найбурхливіших місць у Всесвіті, як-от околиць надмасивних чорних дір і зір, що вибухають. Там частинки, які називають космічними променями, розганяються до величезних енергій і можуть породжувати нейтрино.

Як ловлять нейтрино

Нейтрино — друга за поширеністю частинка у Всесвіті після фотонів, частинок світла. Проте вони взаємодіють так рідко, що, за словами підручника OpenStax Astronomy, «Земля прозоріша для нейтрино, ніж найтонша й найчистіша шибка — для фотона світла». Щоб їх упіймати, потрібні величезні детектори.

IceCube і KM3NeT стежать за величезними об’ємами льоду чи морської води. Коли нейтрино все-таки з чимось зіткнеться, воно створює електрично заряджені частинки, які випромінюють блакитнувате сяйво, відоме як черенковське випромінювання. Датчики фіксують це сяйво, а фізики за ним визначають напрямок і енергію нейтрино.