«Оборотни» микромира
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
В 2015 году Нобелевский комитет снова повернулся лицом к физике элементарных частиц.
В 2015 году Нобелевский комитет снова повернулся лицом к физике элементарных частиц. В этот раз Нобелевскую премию разделят канадец Артур Макдональд и японец Такааки Кадзита — ключевые фигуры двух крупных научно-исследовательских групп, изучавших нейтрино — самую неуловимую из известных элементарных частиц. Их исследования, проведённые в конце ХХ века, экспериментально доказали существование осцилляций нейтрино, — так физики называют самопроизвольное превращение разных видов нейтрино друг в друга. Из экспериментов следовал ещё один важный вывод — о наличии у нейтрино массы.
Нейтрино — это элементарные частицы, которые образуются в ядерных реакциях. Они появляются, в частности, в термоядерных реакциях внутри звёзд, в том числе и нашего Солнца, в процессах деления в реакторах атомных электростанций, при взаимодействии частиц в ускорителях и атмосфере Земли. Рождаясь повсеместно во Вселенной, нейтрино после фотонов самые распространённые в ней частицы. Их число огромно. Каждую секунду через квадратный сантиметр поверхности проходят более 60 млрд нейтрино.
В настоящее время известно о трёх типах (ароматах, или флэйворах) нейтрино, каждый из которых всегда рождается вместе с соответствующим лептоном — электроном, мюоном или тау-лептоном, по которому они и получили свои названия. Все шесть частиц вместе образуют класс лептонов — фундаментальных (бесструктурных) элементарных частиц в теории микромира — Стандартной модели.
Нейтрино не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях, что приводит к очень слабому их взаимодействию с веществом. Они могут пройти в воде сто световых лет, не потревожив ни один атом. Более того, они так могут пройти сквозь миллиарды звёзд, выстроенных в ряд. Земля или Солнце для них просто прозрачны. С одной стороны, это затрудняет регистрацию и измерение характеристик нейтрино, а с другой — делает их источником важнейшей информации об эволюции Вселенной и процессах, происходящих внутри звёзд. Ведь только нейтрино способны дойти до нас из недр звёзд или глубин космоса без изменения. Например, фотонам света потребуется, по разным оценкам, от десятка до сотен тысяч лет для того, чтобы после многократного переизлучения добраться из ядра Солнца до его поверхности.
Неудивительно, что между теоретическим описанием нейтрино, осуществлённым Энрико Ферми в 1933—1934 годах (саму гипотезу выдвинул Вольфганг Паули в 1930 году), и их открытием в 1953—1956 годах прошло 20 лет. А за само открытие электронных нейтрино была вручена Нобелевская премия в 1995 году. Ещё раньше, в 1988 году, присуждена Нобелевская премия за открытие мюонных нейтрино в 1962 году. Отметим забавный казус: открытие, совершённое раньше, награду получило позже. К ним добавилась Нобелевская премия 2002 года за создание нейтринной астрономии, возникшей с построением в США в середине 1960-х годов обсерватории Хоумстейк (Homestake).
Именно наблюдения за солнечными нейтрино в Хоумстейке, проводившиеся в 1970—1994 годах, породили одну из главных загадок, связанных с этими частицами, — так называемый дефицит солнечных нейтрино. Она заключается в том, что регистрируемый поток солнечных нейтрино в среднем в три раза меньше, чем предсказывает теория, описывающая термоядерные реакции в недрах Солнца. Аналогичный результат получен в российско-американском галлиевом эксперименте (SAGE, Soviet-American Gallium Experiment), который проводился в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН с 1990 года, и в международном эксперименте GALLEX в Италии в 1991—1997 годах.
Для объяснения этого явления было выдвинуто около двух десятков предположений, вплоть до предложения пересмотреть теорию термоядерных процессов внутри Солнца. Однако наиболее вероятной считалась гипотеза так называемых нейтринных осцилляций. В ней предполагалось, что электронные нейтрино на пути от Солнца превращались в другие типы нейтрино, которые не регистрировались в эксперименте. Дело в том, что реакции на Солнце порождают именно электронные нейтрино, соответственно на их регистрацию и было нацелено экспериментальное оборудование.
Аналогичная ситуация имела место и при наблюдении атмосферных нейтрино, рождающихся в результате столкновений частиц космических лучей (в основном протонов) с ядрами атомов атмосферных газов. При этом порождаются потоки вторичных частиц, в том числе мюонные и электронные нейтрино. Анализ происходящих процессов показывает, что мюонных нейтрино должно рождаться в два с лишним раза больше электронных. Но эксперименты обнаруживают значительно меньшее число мюонных нейтрино. Исследование атмосферных нейтрино велось, например, в эксперименте Камиоканде (Kamiokande, Kamioka Neutrino Detection Experiment) в Японии с 1983 года. К 1991 году там были получены точные результаты, что мюонных нейтрино регистрируется в среднем на 40% меньше ожидаемого.
Статьи по теме
Читайте в любое время
