Ученые-физики из Массачусетского технологического института разработали и изготовили новый портативный датчик, умещающийся на обычном рабочем столе, который в состоянии идентифицировать отдельные электроны, облако которых существует в среде радиоактивного газа. Когда атомы газа, криптона, распадаются, они испускают электроны, бета-излучение, а имеющиеся в датчике сильные магниты заманивают эти электроны в «бутылку» ловушки, где их очень слабое радиоизлучение улавливается высокочувствительной антенной, усиливается и превращается в цифровую форму. Собранные наборы данных, обработанные специализированными алгоритмами, позволяют восстановить полную картину происходящих процессов на уровне отдельных электронов за несколько миллисекунд времени.
Созданный учеными датчик имеет официальное название «Project 8», в его основе лежит известный уже в течение нескольких десятилетий эффект циклотронного излучения, в котором заряженные частицы, в данном случае электроны, излучают радиоволны в среде сильного магнитного поля. Оказывается, что свободные электроны излучают на частоте, соответствующей частоте, на которой работают некоторые системы военной связи.
«Электроны излучают на частоте, которая широко используется военными, на частоте 26 гигагерц» — пишут ученые, — «Правда частота излучения электронов изменяется в небольших пределах, что связано с разными уровнями энергии этих электронов. И мы использовали этот эффект для отслеживания отдельных электронов».
Созданный детектор был использован группой ученых из Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory), Вашингтонского университета (University of Washington) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (University of California at Santa Barbara, UCSB) для записи деятельности более чем 100 тысяч отдельных электронов в облаке криптона.
Подавляющее большинство электронов вели себя одним и тем же образом, эти электроны излучали импульсы на своей основной частоте всякий раз, когда они сталкивались с атомом радиоактивного газа. Но «звон» некоторых электронов изменял частоту и амплитуду скачкообразно, что отражало потерю или приобретение электроном дополнительной кинетической энергии в результате столкновений.
«Объединив полученные данные, мы собрали общую картину частот колебаний электронов. И на этой картине четко видно, как некоторые из электронов начинают интенсивно «трещать как сорока» в антенну датчика» — рассказывает Джо Формагхио (Joe Formaggio), профессор физики из Массачусетского технологического института, — «В то время, как основная масса электронов в течение долгого времени, издавала не очень интенсивный «щебет» на своей основной частоте».
Конечно, изучение поведения электронов в среде радиоактивного газа является предметом интереса достаточно ограниченного круга ученых. Но, создавая свой датчик, Джо Формагхио и его коллеги преследовали несколько иную цель — измерение массы неуловимых частиц нейтрино.
Напомним нашим читателям, что нейтрино — это одна из самых загадочных частиц, существующих во Вселенной. Миллиарды таких частиц пронзают каждую клетку наших тел каждую секунду, но эти неуловимые частицы очень трудно обнаружить, поскольку они очень и очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Ученые уже давно рассчитали теоретическое значение массы нейтрино, а теперь другие ученые должны подтвердить это экспериментально. И сделать это можно только произведя высокоточные измерения параметров частиц нейтрино, для чего могут быть использованы технологии, которые являются основой нового датчика, разработанного в Массачусетском технологическом институте.
