Во вторник, 6 октября, стало известно, что лауреатами Нобелевской премии по физике за 2015 год стали японец Такааки Кадзита и канадец Артур МакДональд за открытие осцилляций нейтрино.

Это уже четвертый "нобель" по физике, который вручается за работы по изучению этих загадочных частиц. В чем таинственность нейтрино, почему их так трудно обнаружить и что такое нейтринные осцилляции, мы расскажем в этой статье простым и доступным языком.

Рождение нейтрончика

В конце XIX века французский физик Анри Беккерель, изучая, как связаны люминесценция и рентгеновские лучи, случайно открыл радиоактивность. Оказалось, что одна из солей урана сама по себе испускает невидимое и таинственное излучение, которое не является рентгеновским. Затем выяснилось, что радиоактивность присуща именно урану, а не соединениям, в которые он входит, после чего была открыта радиоактивность и других элементов – таких, как торий, радий и так далее.

Спустя несколько лет британский физик Эрнест Резерфорд решил пропустить еще не изученное радиоактивное излучение через магнитное поле и обнаружил, что его можно разделить на три части. Одни лучи отклонялись в магнитном поле так же, как если бы состояли из положительно заряженных частиц, другие – как составленные из отрицательных, а третьи не отклонялись вовсе.

В итоге первые было решено назвать альфа-лучами, вторые – бета-лучами, а третьи – гамма-лучами. Впоследствии выяснилось, что гамма-лучи являются электромагнитным излучением высокой частоты (или потоком фотонов с высокой энергией), альфа-лучи – потоком ядер атомов гелия, то есть частиц, составленных из двух протонов и двух нейтронов, а бета-лучи – потоком электронов, хотя существуют также и позитронные бета-лучи (это зависит от типа бета-распада).

Если измерять энергию альфа-частиц и гамма-частиц, возникающих при соответствующем типе радиоактивного распада, то окажется, что она может принимать лишь некоторые дискретные значения. Это хорошо согласовывается с законами квантовой механики. Однако с электронами, излучаемыми при бета-распаде, ситуация наблюдалась иная – спектр их энергии был непрерывен. Иными словами, электрон мог нести совершенно любую энергию, ограниченную лишь типом распадающегося изотопа. Более того, в большинстве случаев оказывалось, что энергия электронов меньше той, какую предсказывала теория. Кроме того, энергия ядра, образованного после радиоактивного распада, также оказывалась меньше предсказанной.

Получалось, что при бета-распаде энергия буквально исчезала, нарушая фундаментальный физический принцип – закон сохранения энергии. Некоторые ученые, среди которых был и сам Нильс Бор, уже были готовы признать, что закон может и не работать в микромире, но немецкий физик Вольфганг Паули предложил решить эту проблему простым и довольно рискованным способом – предположить, что недостающую энергию уносит некоторая частица, которая не обладает электрическим зарядом, крайне слабо взаимодействует с веществом и поэтому не была до сих пор обнаружена.

Спустя несколько лет эту гипотезу взял на вооружение итальянский физик Энрико Ферми для теоретического объяснения бета-распада. К этому времени уже был открыт нейтрон и физики знали, что атомное ядро состоит не только из протонов. Было известно, что протоны и нейтроны в ядре удерживает так называемое сильное взаимодействие. Однако было до сих пор непонятно, почему при бета-распаде ядро излучает электрон, которого там в принципе нет.

Ферми предположил, что бета-распад похож на излучение возбужденным атомом фотона и электрон появляется в ядре именно в процессе распада. Один из нейтронов в ядре распадается на три частицы: протон, электрон и ту самую невидимую частицу, предсказанную Паули, которую Ферми по-итальянски назвал "нейтрино", то есть "нейтрончик", или маленький нейтрон. Как и нейтрон, нейтрино не имеет электрического заряда, также он не принимает участия и в сильном ядерном взаимодействии.

Теория Ферми оказалась успешной. Было открыто, что за бета-распад ответственно еще одно не известное доселе взаимодействие – слабое ядерное. Это то самое взаимодействие, в котором, помимо гравитационного, и участвуют нейтрино. Но из-за того что интенсивность и радиус этого взаимодействия очень малы, нейтрино остается по большей части невидимым для материи.

Можно представить нейтрино не слишком большой энергии, который летит сквозь лист железа. Для того чтобы эта частица со стопроцентной вероятностью оказалась задержана листом, его толщина должна равняться примерно 10^15 километров. Для сравнения: расстояние между Солнцем и центром нашей Галактики лишь на один порядок больше – около 1016 километров.

Такая неуловимость нейтрино сильно затрудняет его наблюдение на практике. Поэтому экспериментально подтверждено существование нейтрино было лишь 20 лет спустя после теоретического предсказания – в 1953 году.

Три поколения нейтрино

Бета-распад может происходить двумя способами: с излучением электрона или позитрона. Вместе с электроном всегда также излучается антинейтрино, а вместе с позитроном – нейтрино. В середине ХХ века перед физиками встал вопрос: есть ли какое-либо отличие между нейтрино и антинейтрино? К примеру, фотон является античастицей для самого себя. А вот электрон совсем не тождественен своей античастице – позитрону.

На тождество нейтрино и антинейтрино указывало отсутствие у частицы электрического заряда. Однако с помощью тщательных экспериментов удалось выяснить, что нейтрино и антинейтрино все же различаются. Тогда для различения частиц пришлось ввести их собственный знак заряда – лептонное число. По соглашению ученых лептонам (частицам, не участвующим в сильном взаимодействии), в число которых входят и электроны с нейтрино, присваивается лептонное число +1. А антилептонам, среди которых есть и антинейтрино, присваивается число -1. Лептонное число при этом должно всегда сохраняться – это объясняет тот факт, что нейтрино всегда появляется только в паре с позитроном, а антинейтрино – с электроном. Они как бы уравновешивают друг друга, оставляя неизменным сумму лептонных чисел каждой частицы из всей системы.

В середине ХХ века физика элементарных частиц переживала настоящий бум – ученые одну за другой открывали новые частицы. Оказалось, что лептонов существует больше, чем считалось – помимо электрона и нейтрино, был открыт мюон (тяжелый электрон), а также мюонное нейтрино. Впоследствии ученые обнаружили еще и третье поколение лептонов – еще более тяжелые тау-лептон и тау-нейтрино. Стало ясно, что все лептоны и кварки образуют три поколения фундаментальных фермионов (частиц с полуцелым спином, из которых состоит материя).

Для различения трех поколений лептонов пришлось ввести так называемый флейворный лептонный заряд. Каждому из трех поколений лептонов (электрон и нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино) соответствует свой флейворный лептонный заряд, а сумма зарядов составляет общее лептонное число системы. Долгое время считалось, что лептонный заряд также всегда должен сохраняться. Оказалось, что в случае с нейтрино этого не происходит.

Правые и левые нейтрино

Каждая элементарная частица обладает такой квантово-механической характеристикой, как спин. Спин можно представить как количество вращательного движения частицы, хотя это описание очень условно. Спин может быть направлен в некоторую сторону относительно импульса частицы – параллельно ей или перпендикулярно. Во втором случае принято говорить о поперечной поляризации частицы, в первом – о продольной. При продольной поляризации также различают два состояния: когда спин направлен вместе с импульсом, и когда он направлен противоположно ему. В первом случае говорят, что частица обладает правой поляризацией, во втором – левой.

Долгое время в физике считался неоспоримым закон сохранения четности, который говорит о том, что в природе должна соблюдаться строгая зеркальная симметрия и частицы с правой поляризацией должны быть совершенно равноценны частицам с левой. Согласно этому закону, в любом пучке нейтрино можно было бы найти одинаковое количество правополяризованных и левополяризованных частиц.

Удивлению ученых не было предела, когда оказалось, что для нейтрино закон четности не соблюдается – в природе не существует правополяризованных нейтрино и левополяризованных антинейтрино. Все нейтрино имеют левую поляризацию, а антинейтрино – правую. Это является доказательством того удивительного факта, что слабое ядерное взаимодействие, ответственное за бета-распад, в котором и рождаются нейтрино, является хиральным – при зеркальном отражении его законы меняются (об этом мы уже подробно писали отдельно).

С точки зрения физики элементарных частиц середины ХХ века ситуация со строгой поляризацией говорила о том, что нейтрино – безмассовая частица, так как иначе пришлось бы признать несоблюдение закона сохранения лептонного заряда. Исходя из этого долгое время считалось, что нейтрино действительно не имеет массы. Но сегодня мы знаем, что это не так.

Неуловимая масса

Нейтрино в огромном количестве проносятся через толщу Земли и прямо через наше тело. Они рождаются в термоядерных реакциях на Солнце и других звездах, в атмосфере, в ядерных реакторах, даже внутри нас самих, в результате радиоактивного распада некоторых изотопов. До сих пор летят через Вселенную реликтовые нейтрино, рожденные после Большого взрыва. Но их чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом определяет то, что мы их совершенно не замечаем.

Тем не менее за годы исследования нейтрино физики научились с помощью хитрых методов их регистрировать. И при наблюдении за потоком нейтрино, рожденных на Солнце, ученым открылся странный факт – со светила этих частиц прилетает примерно в три раза меньше, чем это предсказывает теория. Здесь нужно уточнить, что речь идет именно об одном типе нейтрино – электронных нейтрино.

Для объяснения этого факта пытались привлекать различные гипотезы о внутреннем строении Солнца, которое способно задерживать недостающие нейтрино, однако эти попытки были безуспешны. Факту оставалось лишь одно теоретическое объяснение – по дороге от Солнца до Земли частицы превращаются из одного типа нейтрино в другой. Частица, рожденная как электронное нейтрино, на своем пути испытывает осцилляции, с определенной периодичностью проявляя себя как мюонное или тау-нейтрино. Поэтому на Землю с Солнца прилетают не только электронные нейтрино, но и мюонные и тау-нейтрино. Гипотезу нейтринных осцилляций еще в 1957 году выдвинул советско-итальянский физик Бруно Понтекорво. Такие превращения нейтрино из одного типа в другой предполагали одно необходимое условие – наличие у нейтрино массы. Все проведенные с нейтрино эксперименты показывали, что масса этой частицы пренебрежительно мала, но строгого доказательства, что она равна нулю, получено не было. Значит, возможность для нейтринных осцилляций действительно оставалась.

Открытие осцилляций

Подтверждение существования нейтринных осцилляций удалось получить благодаря наблюдениям за солнечными и атмосферными нейтрино на экспериментальной установке "Суперкамиоканде" в Японии и в нейтринной обсерватории в Садбери в Канаде.

Японцы для регистрации нейтрино выстроили впечатляющее сооружение – огромный резервуар (40 на 40 метров) из нержавеющей стали, заполненный 50 тысячами тонн чистейшей воды. Резервуар был окружен более чем 11 тысячами фотоумножителей, которые должны были регистрировать мельчайшие вспышки черенковского излучения, рождающиеся при выбивании электронов из атомов какими-либо нейтрино. Учитывая то, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, из миллиардов пролетающих через резервуар частиц регистрируются считанные единицы. Учитывая еще и то, что исследователям приходится отсеивать эти события из большого фона (ведь через огромный резервуар пролетает еще очень много совершенно других частиц), работа ими была проведена колоссальная.

Японский детектор получил возможность отличать электронные и мюонные нейтрино по характеру вызываемого ими излучения. Кроме того, ученые знали, что большинство мюонных нейтрино рождаются в атмосфере при столкновении частиц воздуха с космическими лучами. Благодаря этому они обнаружили следующую закономерность: чем дольше пучки нейтрино преодолевают расстояния, тем меньше среди них мюонных нейтрино. Это значило, что по пути некоторые из мюонных нейтрино превращаются в другие нейтрино.

Окончательное доказательство существования нейтринных осцилляций было получено в 1993 году в эксперименте в Садбери. По сути, канадская установка была похожа на японскую – огромный и не менее впечатляющий резервуар с водой под землей и множество детекторов черенковского излучения. Однако она уже была способна различать все три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В результате было установлено, что общее число прилетающих с Солнца нейтрино не изменяются и хорошо согласуются с теорией, а недостаток электронных нейтрино вызван именно их осцилляцией. Причем, согласно статистическим данным, нейтрино в большей степени испытывают осцилляции при прохождении через вещество, чем через вакуум, так как большее количество электронных нейтрино прилетало в детектор днем, чем ночью, когда рожденным на Солнце частицам приходилось преодолевать всю толщу Земли.

Согласно сегодняшним представлениям, нейтринные осцилляции являются доказательством наличия у этих частиц массы, хотя точное значение массы до сих пор неизвестно. Физики знают лишь ее верхнюю границу – нейтрино как минимум в тысячу раз легче, чем электрон. Выяснение точной массы нейтрино является следующей большой задачей физиков, работающих в этом направлении, и не исключено, что следующий "нобель" за нейтрино будет вручен именно за это достижение.

Смартфон Mi Max от Xiaomi

Квадрокоптер DJI Inspire 1