Юный техник, 2015 № 12

ПРЕМИИ Приключения Нейтрончика

«Нейтрино» в переводе с итальянского «нейтрончик». Именно так итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать новую частицу, открытую в 1930 году на кончике пера австрийским теоретиком Вольфгангом Паули. Ученые долго не были уверены в реальном существовании нейтрино. Ведь когда Паули, который стал лауреатом Нобелевской премии по физике 1945 года, выдвинул гипотезу о существовании новой частицы, это была всего лишь попытка хоть как-то объяснить выполнение закона сохранения энергии при бета-распаде нейтрона на протон и электрон. Часть энергии пропадала, и это можно объяснить тем, что ее забирает с собой некая неуловимая частица.

И хотя сам Паули сомневался в правильности своей догадки, Энрико Ферми (нобелевский лауреат 1938 года) сформулировал теорию, которая включала в себя предложенную его коллегой легкую нейтральную частицу, назвав ее «нейтрино». Тогда никто не предполагал, что эта крошечная частица произведет революцию как в физике, так и в изучении космоса.

До экспериментального подтверждения существования нейтрино прошло почти четверть века — это стало возможным лишь в 50-х годах прошлого столетия, когда нейтрино выявили в излучении ядерных реакторов.

Нобелевские лауреаты: слева — Артур Макдональд, справа — Такааки Кадзита.

Детектор нейтрино на установке, где работал Артур Макдональд.

В июне 1956 года два американских физика — Фредерик Райнес (нобелевский лауреат 1995 года) и Клайд Кован — отправили Вольфгангу Паули телеграмму, в которой сообщали, что их детектору удалось зафиксировать следы нейтрино.

Так нейтрино открыли на самом деле. Оказалось, они настолько легки, что первоначально считалось, будто у них вообще нет массы. Но потом выяснилось, что масса покоя у них все-таки есть, в чем нас с вами, кстати, и попытались убедить нынешние нобелевские лауреаты.

Трудность их работы заключалась в том, что нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом, через которое проходят. Так, например, каждую секунду через поверхность Земли площадью в 1 см² (а заодно и сквозь наши тела) проходит около 6x10¹⁰ нейтрино, спускаемых Солнцем. Однако их влияние ни мы с вами не ощущаем, ни датчики никак не чувствуют.

Часть этих частиц возникла еще в момент Большого взрыва, другие постоянно рождаются в результате разнообразных процессов, происходящих в космосе и на Земле, — от взрывов сверхновых и гибели крупных звезд до реакций, протекающих на атомных электростанциях. Даже внутри нашего тела каждую секунду рождается около 5 000 нейтрино — это происходит при распаде изотопа калия внутри клеток.

Большая часть тех нейтрино, которые достигают Земли, рождается на Солнце, в результате происходящих там ядерных реакций. Таким образом, после частиц света — фотонов — нейтрино являются самыми распространенными частицами в нашей Вселенной.

Вопрос о природе нейтрино возник после экспериментов американца Раймонда Дэвиса, основанных на хлораргонном методе, предложенном физиком Бруно Понтекорво, много работавшим за границей и в СССР. Механизм рождения их на Солнце давно был известен, термоядерные реакции и их выход, необходимый для того, чтобы Солнце «грело», был просчитан в уравнениях. Но эксперимент показал, что на деле от Солнца приходит всего лишь треть от количества предсказанных частиц.

Физик Бруно Максимович Понтекорво.

Куда деваются остальные? Этот вопрос стоял перед учеными почти пол века, объяснений было несколько.

Одно из них, оказавшееся верным, состояло в том, что нейтрино может превращаться из одного вида в другой — скажем, из электронного в мюонное. Его-то как раз и предложил Б. Понтекорво в 1957 году.

Окончательно решить полувековую загадку помог японский эксперимент с помощью нейтринного детектора Super-Kamiokande. Он представлял собой гигантскую бочку под землей, заполненную дистиллированной водой и пронизанную тысячами фотодетекторов. При бомбардировке космическими частицами земной атмосферы рождается множество вторичных частиц, в том числе нейтрино.

«В этом эксперименте физики научились мерить и электронные, и мюонные нейтрино, но самое главное — они знали направление прихода этих частиц. И зная расстояние до точки, где первичная частица вошла в атмосферу, они видели, как меняется соотношение мюонных и электронных частиц в зависимости от пройденного ими расстояния, — пояснил журналистам суть дела доктор физико-математических наук Андрей Ростовцев, специалист в области элементарных частиц. — То есть они увидели осцилляционную картину и научились предсказывать, если в какой-то точке родилось мюонное нейтрино, сколько электронных и мюонных нейтрино будет в потоке через километр»…

Таким образом, нейтринные осцилляции — это превращения нейтрино одного вида (электронного, мюонного или тау-нейтрино) в частицы другого вида или далее в антинейтрино. Открытие было сделано практически одновременно на двух детекторах — уже упомянутом Super-Kamiokande (Япония), где работал Такааки Кадзита, и в нейтринной обсерватории в Садбери (Канада), где трудился Артур Макдональд.

Оба лауреата, как отмечает Нобелевский комитет, внесли определяющий вклад в проведение подобных экспериментов.

Через некоторое время выяснилось, что и скорость передвижения нейтрино тоже точно не известна. Некоторые исследователи даже предположили, что эти частицы движутся со… сверхсветовой скоростью!

Первые сообщения о регистрации мюонных нейтрино, движущихся со сверхсветовой скоростью, появились 23 сентября 2011 года. Тогда удалось установить, что нейтрино из одной точки приходят в другую в среднем на 60 наносекунд раньше расчетного времени. То есть получалось, что частицы движутся с 1,0000248 световой скорости.

Теоретики скептически отнеслись к этим данным, поскольку, согласно теории относительности, ни одна материальная частица не может иметь скорость выше световой. Споры велись довольно долго. Одни экспериментаторы настаивали на правильности своих измерений, другие говорили о возможной ошибке и перепроверке результатов. В конце концов, выяснилось, что права все-таки теория относительности. И ошибка в измерениях вышла из-за плохого соединения оптоволоконного кабеля, подводящего внешний GPS-сигнал в экспериментальную установку. Из-за этого время пролета частиц измерялось неправильно.

Но даже после этого оказалось, что у нейтрино еще немало весьма специфических особенностей. Работы Артура Макдональда и Такааки Кадзита показали, что физики правильно понимают процессы, происходящие в недрах Солнца и других звезд. В то же время они дали понять, что существует некая новая физика, выходящая за рамки так называемой Стандартной модели. То есть мы еще не все знаем о Вселенной. Но можем узнать, отслеживая осцилляции нейтрино, благодаря которым, как теперь считают, рождаются ядра тяжелых элементов.

«Большая часть загадок перестала быть таковыми после того, как обсерватория Садбери произвела измерения параметров потока нейтрино, излучаемого Солнцем, — пишут представители Нобелевского комитета в своем пресс-релизе. — Однако дальнейшее изучение этих таинственных частиц, процессов их осцилляции, особенностей их взаимодействия с материей и полями может дать ученым массу ключей к разгадкам некоторых фундаментальных тайн нашей Вселенной».

Детектор нейтрино на японской установке Super-Kainiokande.

Другим практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведенные в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления. Сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива.

Потоки нейтрино могут быть также использованы для создания средств связи, что привлекает военных: нейтрино теоретически делают возможным обмен информацией с подводными лодками, находящимися на глубине, или секретную передачу данных сквозь Землю. И для сверхдальних космических сеансов связи эти частицы тоже могут пригодиться…