Канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно поставило точку в этом вопросе.
Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80 лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра (его полного момента количества движения).
Вторая проблема - непрерывного спектра электронов в бета-распаде (этот распад изменяет заряд ядра на единицу и приводит к испусканию электрона или его античастицы - позитрона) - связана с тем, что в опытах по бета-распаду энергии образующихся электронов изменялись непрерывным образом в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).
Две проблемы не давали покоя физикам, поскольку приводили к нарушению законов сохранения - импульса, момента импульса и энергии. Некоторые ученые, в частности, датчанин Нильс Бор, даже предположили, что пришло время пересмотреть энергетические основы физики и отказаться от законов сохранения. К счастью, этого не пришлось делать.
Всех успокоил швейцарский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбинген. «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые обладают спином 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и "нейтрон" - таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной», - сообщал ученый.
«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.
Нейтрино (итальянское «маленький нейтрон») дал имя итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.
Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц - промежуточных векторных бозонов - и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.
Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил - скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый - имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.
Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.
Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.
Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них - протоны, электроны и нейтрино).
Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.
Под осцилляциями нейтрино подразумеваются взаимопревращения одного сорта этих частиц в другие. Всего существуют три типа нейтрино (и, возможно, три типа отвечающих им античастиц): электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном, мюоном и таоном они образуют шесть лептонов - класс бесструктурных элементарных частиц. Адроны тоже считаются элементарными частицами, однако состоят из кварков, которые вследствие явления асимптотической свободы (невылетания) не могут наблюдаться в свободном состоянии.
Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики - ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).
Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.
В классической версии Стандартной модели (СМ) - современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), - нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, - это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.
Теоретически нейтринные осцилляции включаются в СМ матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания (среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино так называемыми майорановскими частицами, но об этом - ниже). В этом смысле принятие ненулевой массы нейтрино никак не означает какого-то принципиально нового расширения СМ.
Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином - именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы - в частности, электроны и их античастицы - позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.
В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.
Вейлевские фермионы ученым обнаружить, но только в форме квазичастиц. Частицы физики обнаружили в экспериментах по прохождению света через одну из форм кристаллов арсенида тантала (соединения мышьяка и тантала). Ученые сумели выбрать из всего многообразия таких кристаллов (их оптические свойства зависят от частоты падающего излучения) соединения с необходимыми физическими свойствами. Материал с такими квазичастицами может найти применение в компьютерах будущего.
Искать майорановские нейтрино можно различными способами. Самый распространенный из них заключается в поиске безнейтринного двойного бета-распада, в результате которого электрический заряд атомного ядра увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Двойной бета-распад - разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу.
В Стандартной модели - современной теории физики элементарных частиц - безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).
До сих пор ученые не обнаружили майорановские нейтрино, и прогнозы тут пока неутешительные. Поиски майорановских нейтрино и попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются стремлением физиков выйти за пределы СМ: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда - электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, а их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения СМ (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).
Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи - таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.
Массивные нейтрино, как и их суперпартнеры - снейтрино, входят в состав многих расширений СМ, прежде всего суперсимметричных. В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице ставится в соответствие ее частица-парнер. Например, для фотона - фотино, кварка - скварк, хиггса - хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы - это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).
Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения углов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для суперсимметричных моделей были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако на ее основе все еще существуют возможность построения непротиворечивой модели физики частиц.
С нейтрино связано много тайн, скандалов и известных открытий, а говорить о ней можно очень долго. Так, итальянец Этторе Майорана бесследно исчез во время плавания из Неаполя в Палермо, а Исаак Померанчук - ученик советского физика Льва Ландау - считал создание в 1955 году теории двухкомпонентного нейтрино (над ней также работали Ли Цзундао, Янг Чжэньнин и Абдус Салам) вершиной научного творчества своего учителя.
В 2011 году коллаборация OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) объявила об обнаружении сверхсветовых нейтрино. Позднее ученые признали свое открытие ошибочным и отказались от него. Не обошли вниманием нейтрино и писатели. В романе Станислава Лема «Солярис» описывались «гости» - разумные существа из нейтрино.
Каждое открытие, связанное с нейтрино, отмечается вниманием Нобелевского комитета. И неслучайно: все развитие физики элементарных частиц в XX веке неразрывно связано с этой частицей, тем не менее о ней известно чрезвычайно мало - меньше нее изучен только бозон Хиггса. 85 лет истории исследований нейтрино так и не позволили определить ее массу, а непрозрачность ее свойств позволила физикам связать дальнейший прогресс в науке с прогнозированием потенциальных свойств этой частицы.
Физики исследуют не только свойства больших тел, включая огромную Вселенную, но и мир очень маленьких или так называемых элементарных частиц. Один из разделов современной физики, в котором изучаются свойства частиц, называется физикой элементарных частиц. Обнаруженных частиц оказалось так много, что была составлена таблица, подобная периодической таблице Менделеева для химических элементов, но частиц в отличие от химических элементов оказалось гораздо больше ста. Естественно, что физики пытались классифицировать эти частицы путём создания различных моделей. Одна из них – так называемая Стандартная модель, которая объясняет свойства всех известных частиц, а также их взаимодействия.
Известно, что наша Вселенная управляется четырьмя взаимодействиями – слабое, сильное, электромагнитное, гравитация. Эти взаимодействия – результат распада некоей суперсилы, природа которой нам неизвестна. Она привела к Большому Взрыву и образованию нашей Вселенной. Разгадка суперсилы поможет нам понять механизм образования нашего мира, а также установить причину, каким образом физические законы и фундаментальные постоянные были встроены в нашу Вселенную и управляют ею. По мере остывания Вселенной суперсила распалась на четыре силы, без которых в ней не было бы никакого порядка. Мы можем понять природу суперсилы путём объединения четырёх взаимодействий. Стандартная модель учитывает лишь три вида взаимодействия частиц – слабое, сильное и электромагнитное, т.к. гравитация в мире маленьких частиц ничтожна в силу ничтожности их масс и поэтому не рассматривается. Эта модель не является «теорией всего», т.к. она не описывает тёмную материю и тёмную энергию, из которых состоит почти 96% нашей Вселенной, а также не учитывает гравитацию.
Поиски отклонений от этой модели и создание «новой физики» – одна из самых интересных направлений исследований в современной физике. Суперколлайдер в Европе был построен, кроме всего прочего, для проверки Стандартной модели и создания «новой физики». Согласно этой модели нейтрино является безмассовой частицей. Открытие массы у нейтрино явилось важным критическим тестом этой модели.
История физики элементарных частиц началась в конце 19 века, когда английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон, изучая отклонения катодных лучей в магнитном поле. Позже Беккерелем было открыто явление радиоактивности, в котором образуются три вида излучения. Они назывались альфа-, бета- и гамма- лучами (три первые буквы греческого алфавита). Исследование природы этих излучений показало, что альфа частицы – это положительно заряженные ядра атомов гелия, бета частицы – электроны с отрицательным зарядом, а гамма частицы – частицы света или фотоны, не имеющие ни массы, ни заряда. В 1905 г. Рентгеном были открыты Х-лучи. Это те же гамма лучи, но с высокой проникающей способностью. В 1911 г. знаменитый английский учёный Резерфорд, изучая отклонение альфа частиц тоненькими пластинками золота, установил планетарную модель атома. Это был год рождения ядерной физики. Согласно этой модели атомы состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых вращаются отрицательно заряженные электроны. Атомы электрически нейтральны, т.к. число электронов равно числу протонов. В 1932 г. была сформулирована протон-нейтронная модель атомных ядер после предсказания английским физиком Чэдвиком новой незаряженной частицы – нейтрона с массой близкой массе протона. Вскоре нейтроны были обнаружены в ядерной реакции взаимодействия углерода с альфа частицами. Число элементарных частиц возросло к 1932 г. до четырёх – электрон, фотон, протон и нейтрон. Тогда же Поль Дирак предсказал античастицы. Например, античастицей электрона является позитрон. Античастицей атома является антиатом, который состоит из отрицательно заряженных антипротонов и нейтральных антинейтронов с положительно заряженными позитронами, вращающимися вокруг антиядра. Эффект преобладания материи над антиматерией во Вселенной – одна из фундаментальных проблем физики, которая будет решаться с помощью суперколлайдера.
Если вы читали книгу Дэна Брауна «Ангелы и Демоны», то наверняка помните, как физики с помощью мощного ускорителя, синхрофазотрона, получили маленькое количество антивещества в количестве меньше 1 грамма, но которое обладает мощной разрушительной силой, например, по версии автора, уничтожить Ватикан в Риме. Так кто же и когда предсказал маленькое нейтрино?
Когда физики изучали явление бета-распада, они обнаружили, что спектр испускаемых электронов не был дискретным, как предсказывалось законом сохранения энергии, а был непрерывным. Т.е. часть энергии электрона куда – то исчезала и таким образом закон сохранения энергии как бы нарушался. Знаменитый Нильс Бор даже предположил, что, возможно, при бета-распаде ядер закон сохранения энергии нарушается. Однако физики скептически отнеслись к этой идее и пытались найти другое объяснение причины исчезновения энергии.
Австрийский физик Вольфганг Паули в 1932 г. предсказал существование в процессе бета распада ещё одной частицы, не имеющей ни массы, ни заряда и уносящей недостающую энергию. Итальянский физик Э. Ферми, построивший затем теорию бета-распада, предложил называть эту частицу нейтрино, т.е. маленький нейтрон. Однако зарегистрировать нейтрино оказалось невозможным в течение почти 25 лет, т.к. эта частица свободно, без каких-либо взаимодействий, могла проникать через огромные толщи пространства, не взаимодействуя с ней. Например, пока вы читаете эту статью, через ваше тело пролетит сотни триллионов нейтрино, не взаимодействуя с вами.
Автор Илья ГУЛЬКАРОВПотребовалось почти 25 лет после предсказания Паули, чтобы эта необычайная частица была наконец обнаружена. Существование нейтрино впервые было подтверждено американскими физиками Коуэном и Райнис в 1956 г. Так как нейтрино – «неуловимая» частица, то её регистрируют косвенным путём. Обычно детектор помещают глубоко под Землёй (1500 м), чтобы исключить влияние различных факторов, и заполняют его, например, хлором в количестве 400,000 литров. Солнечные нейтрино в очень редких случаях (одно/два нейтрино в день) могут превратить хлор в радиоактивный аргон, который можно зарегистрировать, т.к. он излучает фотоны.
В канадском эксперименте детектор – это сфера с диаметром 12 м, которая заполнялась 1000 тонн тяжёлой дейтериевой водой и помещалась на глубину 2000 м. Нейтрино, пролетая сквозь эту сферу, в очень редких случаях взаимодействует с дейтерием (около 10 событий в день), образуя электроны, спектр которых измеряется, или нейтроны, которые регистрируются с помощью детекторов. Таким образом были зарегистрированы солнечные нейтрино. Первые эксперименты с целью обнаружения нейтрино показали, что на самом деле их в три раза меньше по сравнению с рассчитанными на основе математической модели Солнца и эта проблема тогда называлась solar neutrino problem . O казалось, что на самом деле имеются три вида нейтрино – электронное, мюонное и тау-нейтрино. Превращения нейтрино одного вида в другой называется нейтринные осцилляции . Причина осцилляций – это наличие у нейтрино массы. В недрах Солнца в реакциях термоядерного синтеза рождается только электронное нейтрино, но на пути к Земле оно может превращаться в другие виды нейтрино – мю и тау. Поэтому в первых экспериментах их регистрировалось в
«Весёлые» шарики – три вида нейтрино электронное, мюонное и тау-нейтрино в три раза меньше. Немецкий учёный Ганс Бете предсказал серию протон-протонных реакций на Солнце объясняющих, почему Солнце излучает грандиозную энергию. Позже за это открытие ему была присуждена Нобелевская премия. В этих реакциях четыре атома водорода превращаются в атом гелия. При этом образуются нейтрино, позитроны и выделяется огромная энергия. Каждую секунду четыре миллиона тонн массы Солнца (!) превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна Е = мс². Но масса Солнца настолько велика (напомню, что Солнце тяжелее Земли более, чем в 330,000 раз), что излучение Солнца будет продолжаться миллиарды лет. Используя те же реакции, которые происходят на Солнце, физики сконструировали водородную бомбу, т.е. маленькое «рукотворное» Солнце на Земле, в котором происходят те же термоядерные реакции, что и на Солнце. Если бы наше понимание этих реакций было неправильным, взрыв водородной бомбы был бы просто невозможен.
Новые эксперименты А. Макдональда (Канада) и Т. Каджита (Япония) позволили им определить массу нейтрино, т.е. они доказали в своих тонких экспериментах существование нейтринных осцилляций, т.е. превращения нейтрино друг в друга. Масса нейтрино оказалась чрезвычайно мала, в миллионы раз меньше массы электрона, самой лёгкой элементарной частицы во Вселенной. Напомню, что фотон, т.е. частица света, не имеет массы и является самой распространённой частицей во Вселенной. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике 2015 года. Как объявил Нобелевский комитет, награды вручены «за открытие осцилляции нейтрино, показывающее, что у нейтрино есть масса». Они доказали реальность нейтринных осцилляций, т.е. превращения одного вида нейтрино в другие и наоборот.
Это открытие является фундаментальным, т.к. меняет баланс масс во Вселенной. От массы нейтрино зависят оценки массы нашей Вселенной. Информация о точном значении массы нейтрино важна для объяснения скрытой массы Вселенной, так как, несмотря на её малость, их концентрация во Вселенной огромна и это может существенно повлиять на её полную массу.
Подведём итоги. Предсказание нейтрино Паули позволило физикам объяснить явление бета распада и подтвердить, что при этом процессе закон сохранения энергии не нарушается. Регистрация солнечных нейтрино позволила физикам проверить математическую модель Солнца и предсказать протон-протонные реакции, объясняющие огромное выделение энергии Солнцем и открыть три вида нейтрино. Это позволило физикам создать маленькое Солнце на Земле в виде водородной бомбы. Нейтринные осцилляции, т.е. превращения нейтрино одного вида в другие, явились следствием наличия массы у нейтрино. Их открытие было отмечено Нобелевской премией 2015. Хотя масса нейтрино в миллионы раз меньше массы электрона, от него зависят оценки массы Вселенной и, в конечном счёте, это поможет физикам понять природу скрытой массы нашей Вселенной. Благодаря ненулевой массе нейтрино физики ищут выход за пределы Стандартной модели, т.е. нейтринные исследования приближают их к созданию «новой физики» и новому пониманию процессов внутри нашего мира.
СТОКГОЛЬМ, 6 октября. /Корр. ТАСС Ирина Дергачева/. Нобелевская премия 2015 года в области физики присуждена во вторник Такааки Каджите (Япония) и Артуру Макдональду (Канада) за открытие осцилляций нейтрино, свидетельствующих о наличии у них массы.
Об этом объявил Нобелевский комитет при Королевской академии наук Швеции.
Размер премии составляет один миллион шведских крон - это примерно 8 млн рублей по текущему курсу. Награждение лауреатов состоится в день смерти Альфреда Нобеля 10 декабре в Стокгольме.
Лауреатам удалось решить проблему, над которой физики бились очень давно. Они доказали, что частицы нейтрино обладают массой, пусть и очень малой. Это открытие называют эпохальным для физики элементарных частиц.
"Это открытие изменило наше представление о внутреннем строении материи и может оказаться решающим для нашего понимания Вселенной", - пояснил комитет.
Нейтрино - элементарная частица, которая "отвечает" за одно из четырех фундаментальных взаимодействий, а именно за слабое взаимодействие. Оно лежит в основе радиоактивных распадов.
Существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В 1957 году работавший в Дубне итальянский и советский физик Бруно Понтекорво предсказал, что нейтрино разных типов могут переходить друг в друга - этот процесс называется осцилляциями элементарных частиц. Однако в случае нейтрино существование осцилляций возможно только в том случае, если эти частицы имеют массу, а с момента их открытия физики считали, что нейтрино - безмассовые частицы.
Догадка ученых была экспериментально подтверждена одновременно японской и канадской группами исследователей под руководством, соответственно, Такааки Кадзиты и Артура Макдональда.
Кадзита родился в 1959 году и в настоящее время работает в Токийском университете. Макдональд родился в 1943 году и трудится в Университете Куинс в канадском Кингстоне.
Физик Вадим Бедняков о нейтринной осцилляции
Практически одновременно группа физиков во главе со вторым лауреатом Артуром Макдональдом анализировала данные канадского эксперимента SNO, собранные в обсерватории в Садбэри. Обсерватория наблюдала потоки нейтрино, летящие от Солнца. Звезда излучает мощные потоки электронных нейтрино, однако во всех экспериментах ученые наблюдали потерю примерно половины частиц.
В ходе эксперимента SNO было доказано, что одновременно с исчезновением электронных нейтрино в потоке лучей появляется примерно столько же тау-нейтрино. То есть Макдональд и коллеги доказали, что происходят осцилляции электронных солнечных нейтрино в тау.
Доказательство, что у нейтрино есть масса, потребовало переписать Стандартную модель - базовую теорию, которая объясняет свойства всех известных элементарных частиц и их взаимодействия.
В 2014 году самая престижная научная награда по физике досталась японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамуре за изобретение синих светодиодов (LED).
О премии
Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премия по физике должна вручаться тому, "кто сделает наиболее важное открытие или изобретение" в этой области. Премию присуждает Шведская королевская академия наук, расположенная в Стокгольме. Ее рабочий орган - Нобелевский комитет по физике, члены которого избираются академией на три года.
Первым премию в 1901 году получил Вильям Рентген (Германия) за открытие излучения, названного его именем. В числе наиболее известных лауреатов - Джозеф Томсон (Великобритания), отмеченный в 1906 году за исследования прохождения электричества через газ; Альберт Эйнштейн (Германия), получивший премию в 1921 году за открытие закона фотоэффекта; Нильс Бор (Дания), награжденный в 1922 году за исследования атома; Джон Бардин (США), двукратный обладатель премии (1956 год - за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта, 1972 год - за создание теории сверхпроводимости).
Правом выдвигать кандидатов на премию обладают ученые разных стран, включая членов Шведской королевской академии наук и лауреатов Нобелевской премии по физике, которые получили специальные приглашения от комитета. Предлагать кандидатов можно с сентября до 31 января следующего года. Затем Нобелевский комитет с помощью научных экспертов отбирает наиболее достойные кандидатуры, а в начале октября академия большинством голосов выбирает лауреата.
Российские ученые становились лауреатами Нобелевской премии по физике десять раз. Так, в 2000 году Жорес Алферов был удостоен ее за разработку концепции полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники. В 2003 году Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург совместно с британцем Энтони Леггеттом получили эту награду за новаторский вклад в теорию сверхпроводников. В 2010 году Константин Новоселов и Андре Гейм, работающие ныне в Великобритании, были удостоены награды за создание тончайшего в мире материала - графена.
Нобелевская премия 2015 года вручена за “открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой”
В 1998 году Такааки Каджиита (Takaaki Kajita), участник в то время коллаборации Super-Kamiokande, представил данные, демонстрирующие исчезновение атмосферных мю-нейтрино, то есть нейтрино, образованных при прохождении космических лучей через атмосферу, на пути их полета к детектору. В 2001 году Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald), руководитель Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, опубликовал доказательства превращения солнечных электронных нейтрино в мю- и тау-нейтрино. Эти открытия имели большое значение и ознаменовали прорыв в физике элементарных частиц. Нейтринные осцилляции и взаимосвязанные вопросы природы нейтрино, массы нейтрино и возможности нарушения симметрии зарядового соотношения лептонов – это важнейшие на сегодняшний день вопросы космологии и физики элементарных частиц.
Мы живем в мире нейтрино. Тысячи миллиардов нейтрино “протекают” через наше тело каждую секунду. Их нельзя увидеть и нельзя почувствовать. Нейтрино проносятся через пространство почти со скоростью света и практически не взаимодействуют с веществом. Существует огромное количество источников нейтрино как в космосе, так и на Земле. Часть нейтрино родилась в результате Большого Взрыва. А сейчас источники нейтрино - это и взрывы супер новых звезд, и распад звездных супергигантов, а также радиоактивные реакции на атомных электростанция и процессы естественного радиоактивного распада в природе. Таким образом, нейтрино это вторые по численности элементарные частицы после фотонов, частиц света. Но несмотря на это, долгое время их существование не было определено.
Возможность существования нейтрино была предложена австрийским физиком Вольфгангом Паули как попытка объяснить превращение энергии при бета-распаде (вид радиоактивного распада атома с излучением электронов). В декабре 1930 года он предположил, что часть энергии забирает с собой электрически нейтральная, слабовзаимодействующая частица с очень малой массой (возможно, безмассовая). Сам Паули верил в существование такой частицы, но вместе с тем, он понимал как трудно обнаружить частицу с такими параметрами методами экспериментальной физики. Он писал об этом: “Я совершил ужасную вещь, я постулировал существование частицы, которая не может быть обнаружена“. В скором времени, после открытия в 1932 году массивной, сильновзаимодействующей частицы, похожей на протон, но только нейтральной (часть атома - нейтрон) итальянский физик Энрико Ферми предложил неуловимую элементарную частицу Паули назвать – нейтрино.
Возможность обнаружить нейтрино появилась только в конце 50х годов, когда было построено большое количество атомных электростанций и поток нейтрино значительно возрос. В 1956 году Ф. Райнс (также в последствии лауреат Нобелевской премии 1995 года) провел эксперимент по реализации идеи советского физика Б.М. Понтекорво по детектированию нейтрино и антинейтрино на ядерном реакторе в Южной Королине. В результате он отправил телеграмму Вольфгангу Паули (всего за год до его смерти), в которой сообщал, что нейтрино оставили следы в их детекторе. А уже в 1957 году Б.М. Понтекорво опубликовал ещё одну пионерскую работу по нейтрино, в которой первым выдвинул идею осцилляций нейтрино.
С 60х годов ученые активно стали развивать новое научное направление – нейтринную астрономию. Одна из задач состояла в том, чтобы подсчитать количество нейтрино, родившихся в результате ядерных реакций на Солнце. Но попытки зарегистрировать расчетное количество нейтрино на Земле показывали, что отсутствует примерно две третьих нейтрино! Конечно, могли быть ошибки в произведенных расчетах. Но одно из возможных решений заключалось в том, что часть нейтрино изменяли свой тип. В соответствии с действующей сегодня в физике элементарных частиц Стандартной Моделью (рисунок 1), существует три типа нейтрино – электронные нейтрино, мю-нейтрино и тау-нейтрино.
Рисунок 1 - Станда́ртная моде́ль - теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Содержит 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)
Каждому типу нейтрино соответствует его заряженный партнер – электрон, и две других более тяжелых, обладающих меньшим временем жизни частицы - мюон и тау-лептон. В результате ядерных реакций на Солнце происходит рождение только электронных нейтрино и недостающие нейтрино могли бы быть найдены, если бы по пути на Землю электронные нейтрино могли превращаться в мю-нейтрино и тау-нейтрино.
Поиски нейтрино глубоко под землей
Поиск нейтрино ведется непрерывно, днем и ночью, на установках колоссального размера, построенных глубоко под землей для экранирования посторонних шумов, создаваемых космическим излучением и спонтанными радиоактивными реакциями в окружающей среде. Очень тяжело отличить сигналы нескольких настоящих солнечных нейтрино от миллиардов ложных.
Нейтронная обсерватория Super-Kamiokande построена в 1996 году под горой Kamioka в 250 км на северо-запад от Токио. Другая обсерватория Sudbury Neutrino Observatory (SNO) была построена в 1999 году в никелевом руднике вблизи Онтарио.
Рисунок 2 – Super-Kamiokande – это детектор атмосферных нейтрино. Когда нейтрино взаимодействует с водой, образуется электрически заряженная частица. Это приводит к возникновению излучения Черенкова-Вавилова, которое регистрируется детекторами света. Форма и интенсивность спектра излучения Черенкова-Вавилова позволяет определить тип частицы и откуда она прилетела.
Super-Kamiokande – это гигантский детектор, построенный на глубине 1000 метров. Он состоит из бака размерами 40 на 40 метров, заполненного 50 000 тонн воды. Вода в баке такой чистоты, что свет может пройти расстояние в 70 метров, прежде чем его интенсивность уменьшится в два раза. В обычном бассейне для плавания это расстояние составляет всего пару метров. По сторонам бака, на его верхней и нижней частях расположено 11 000 детекторов света, позволяющие зарегистрировать малейшую вспышку света в воде. Большое количество нейтрино проходит сквозь бак с водой, но только некоторые из них взаимодействуют с атомами и/или электронами с образованием электрически заряженных частиц. Мюон образуются из мю-нейтрино и электроны из электронных нейтрино. Вокруг образованных заряженных частиц образуются вспышки голубого света. Это, так называемое, излучение Черенкова-Вавилова, которое возникает при движении заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. И это не противоречит теории Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться со скоростью выше скорости света в вакууме. В воде скорость света составляет только 70 % от скорости света в вакууме и, поэтому, может перекрыта скоростью движения заряженной частицы.
При прохождении космического излучения через слои атмосферы рождается большое количество мю-нейтрино, которым необходимо пройти до детектора путь лишь в несколько десятков километров. Super-Kamiokande может детектировать мю-нейтрино приходящие прямо из атмосферы, а также те нейтрино, которые попадают на детектор с обратной стороны, проходя сквозь всю толщу земного шара. Ожидалось, что количество мю-нейтрино детектируемых в двух направлениях будет одинаковым, ведь толща земли не представляет для нейтрино какой-либо преграды. Однако, количество нейтрино попадающих на Super-Kamiokande прямо из атмосферы было значительно больше. Количество же электронных нейтрино приходящих в обоих направлениях не отличалось. Получается, что та часть мю-нейтрино, которая проходила больший путь сквозь толщу земли, скорее всего превращалась каким-то образом в тау-нейтрино. Однако, зарегистрировать данные превращения напрямую в обсерватории Super-Kamiokande было невозможно.
Чтобы получить окончательный ответ на вопрос о возможности нейтринных превращений или нейтринных осцилляций был реализован еще один эксперимент во второй нейтринной обсерватории Sudbury Neutrino Observatory (рисунок 3). Она была построена на глубине 2000 метров под землей и оснащена 9500 детекторов света. Обсерватория предназначена для детектирования именно солнечных нейтрино, энергия которых значительно меньше, чем рожденных в слоях атмосферы. Бак заполнялся не просто очищенной водой, а тяжелой водой, в которой каждый атом водорода в молекуле воды имеет дополнительный нейтрон. Таким образом, вероятность взаимодействия нейтринно с тяжелыми атомами водорода значительно выше. Кроме того, наличие тяжелых ядер позволяет нейтрино взаимодействовать с протеканием других ядерных реакций, а следовательно, будут наблюдаться световые вспышки другой интенсивности. Некоторые типы реакций позволяют детектировать все типы нейтрино, но к сожалению, не позволяют точно отличить один тип от другого.
Рисунок 3 – Sudbury Neutrino Observatory – это детектор солнечных нейтрино. Реакции между тяжелыми ядрами водорода и нейтрино дают возможность регистрировать как только электронные нейтрино, так и все типы нейтрино одновременно. (иллюстрации 2 и 3 с сайта нобелевского комитета nobelprize.org и шведской академии наук kva.se)
После начала эксперимента обсерватория детектировала 3 нейтрино в день из 60 миллиардов нейтрино через 1 см2, прилетающих на Землю от Солнца. И все равно это было в 3 раза меньше расчетного количества электронных солнечных нейтрино. Суммарное же количество всех типов нейтрино, задетектированных в обсерватории, с высокой точностью соответствовало ожидаемому числу нейтрино, испускаемых Солнцем. Обобщение экспериментальных результатов двух нейтринных обсерваторий, теории предложенной Понтекорво о принципиальной возможности нейтринных осцилляций позволило доказать существование нейтринных превращений на пути от Солнца на Землю. В этих двух обсерваториях Super-Kamiokande и Sudbury Neutrino Observatory впервые были получены описанные результаты и в 2001 году предложена их интерпретация. Чтобы окончательно убедиться в правильности проведенных экспериментов, спустя год, в 2002 году начался эксперимент KamLAND (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector), в котором в качестве источника нейтронов использовали реактор. Спустя несколько лет, после накопления достаточной статистики, результаты по превращению нейтрино были подтверждены с высокой точностью.
Чтобы объяснить механизм нейтринных превращений или нейтринных осцилляций ученые обратились к классической теории квантовой механики. Эффект превращения электронных нейтрино в мю- и тау-нейтрино предполагает с точки зрения квантовой механики наличие у нейтрино массы, иначе данный процесс невозможен даже теоретически. В квантовой механике частице определенной массы соответствует волна определенной частоты. Нейтрино представляют собой суперпозицию волн, которые и соответствуют нейтрино различного типа с различной массой. Когда волны софазны невозможно отличить один тип нейтрино от другого. Но за значительное время движения нейтрино от Солнца до Земли может происходить дефазировка волн и потом возможна их последующая суперпозиция другим образом. Тогда и становится возможным отличить один тип нейтрино от другого. Такие своеобразные изменения происходят из-за того, что различные типы нейтрино имеют различные массы, но отличающиеся на очень малую величину. Масса нейтрино оценивается в миллионы раз меньше, чем масса электрона – это ничтожна малая величина. Однако, за счет того, что нейтрино весьма распространенная частица, сумма масс всех нейтрино приблизительно равна массе всех видимых звезд.
Не смотря на такие успехи физиков многие вопросы остаются до сих пор нерешенными. Почему нейтрино такие легкие? Существуют ли другие типы нейтрино? Почему нейтрино так сильно отличаются от других элементарных частиц? Эксперименты продолжаются и есть надежда, что они позволят узнать новые свойства нейтрино и, таким образом, приблизить нас к понимаю истории, структуры и будущего Вселенной.
Подготовлено по материалам с сайта nobelprize.org.
Популярная литература и ресурсы