Нобелевская Премия по Физике 2015 или как физики определили массу нейтрино

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.

Потребовалось 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. Oказалось, 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.

Илья Гулькаров