«Оборотни» микромира
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
В 2015 году Нобелевский комитет снова повернулся лицом к физике элементарных частиц.
Использование тяжёлой воды, содержащей дейтерий, дало возможность наблюдать не только электронные нейтрино, но и суммарный поток всех трёх нейтрино, что было недоступно в других экспериментах. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона. Нейтрино всех типов могут приводить к его развалу на протон и нейтрон, в то время как электронные нейтрино могут расщеплять ядро дейтерия на два протона.Результаты исследований учёные опубликовали в двух статьях 2001 и 2002 годов. Главным стало то, что общее количество солнечных нейтрино оказалось в три раза больше числа электронных. Это означало, что в термоядерных реакциях на Солнце рождается предсказанное теорией количество электронных нейтрино, но на пути к Земле треть из них превращается в мюонные, а другая треть — в тау-нейтрино. Проблема дефицита нейтрино была окончательно решена.
Любопытно, что попутно физики разобрались с вопросом о массе нейтрино. Долгое время предполагалось, что нейтрино не имеют массы. Именно так они рассматривались в первоначальном варианте Стандартной модели. Однако осцилляции нейтрино возможны только при наличии у нейтринных состояний различных масс. Лишь в этом случае волны, соответствующие состояниям, будут иметь разный пространственный период и их сумма будет изменяться в пространстве. Если массы одинаковы, в том числе равны нулю, осцилляции не возникнут. Таким образом, доказательство нейтринных осцилляций автоматически поставило точку и в дискуссии о наличии у нейтрино массы.
Впрочем, несмотря на положительный ответ о существовании масс нейтрино, пока не удалось определить их экспериментально. Сегодня на эти массы установлены лишь верхние пределы. Нейтрино по крайней мере в миллион раз легче электрона. Некоторую информацию даёт частота осцилляций, которая пропорциональна разности квадратов масс состояний.
У учёных остаётся ещё много вопросов к нейтрино. Например, физики пока не могут не только назвать величину масс нейтрино, но и сказать, как она возникает. Поскольку нейтрино легче всех остальных частиц, вряд ли его масса связана с механизмом Хиггса. Решение вопроса о массе нейтрино важно не только для понимания физики элементарных частиц, но и для космологии. Ведь даже при очень малой массе отдельной частицы общая масса нейтрино будет влиять на эволюцию Вселенной. По современным оценкам, масса всех нейтрино примерно равна массе всех видимых звёзд во Вселенной.
Исследования осцилляций продолжаются. Теперь к ним присоединились ещё и эксперименты по изучению реакторных и ускорительных нейтрино (Minos, BooNE, NOvA, Daya Bay и др.). Детекторы, расположенные на разных расстояниях от ядерных реакторов и ускорителей, должны дать точную информацию об этом процессе.
Однако, не успели физики доказать существование осцилляций нейтрино, как выяснилось, что для объяснения особенностей потока нейтрино от реакторов уже недостаточно трёх ароматов нейтрино. Проблему решает введение так называемого стерильного нейтрино, которое, в отличие от своих собратьев, не участвует в слабом взаимодействии и поэтому не видно в существующих экспериментах. Эта частица ещё более неуловима, чем остальные нейтрино, но её обнаружение, возможно, позволит разгадать загадку тёмной материи. Так что в мире уже готовится около 10 экспериментов по поиску стерильного нейтрино, в том числе и российский эксперимент DANSS на Калининской АЭС.
Учёные также полагают, что нейтрино могут играть ключевую роль в объяснении ещё одной тайны природы — асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, заключающейся в том, что после Большого взрыва не произошло полной взаимной аннигиляции материи и антиматерии, а часть материи всё же уцелела и сформировала нашу Вселенную. Теоретически лучше всего такую асимметрию объясняет гипотеза, использующая так называемые сверхтяжёлые майорановские нейтрино. Они могут распадаться без сохранения лептонного числа, что позволяет рождаться большему числу частиц (электронов), чем античастиц (позитронов). Майорановские нейтрино пока не обнаружены, но физики не теряют надежды. Так что, возможно, эта Нобелевская премия — не последняя, присуждённая за исследования нейтрино.
Статьи по теме
Читайте в любое время
