Надо добавить, что все эти первоначальные свидетельства в пользу нейтринных осцилляций были получены в «экспериментах по исчезновению». Это эксперименты такого типа, когда мы измеряем поток, видим, что он слабее, чем ожидалось, и догадываемся, что искомые нейтрино превратились в другой сорт. Для большей убедительности нужно тот же процесс увидеть и напрямую, через «эксперимент по возникновению» нейтрино. Такие эксперименты сейчас тоже ведутся, и их результаты согласуются с экспериментами по исчезновению. Например, в ЦЕРНе есть специальная ускорительная линия, которая «стреляет» мощным пучком мюонных нейтрино в направлении итальянской лаборатории Гран-Сассо, находящейся за 732 км от нее. Установленный в Италии детектор OPERA ищет в этом потоке тау-нейтрино. За пять лет работы OPERA поймала уже пять тау-нейтрино, так что это окончательно доказывает реальность обнаруженных ранее осцилляций.

Акт второй: солнечная аномалия

Вторая загадка нейтринной физики, требовавшая разрешения, касалась солнечных нейтрино . Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза, они сопровождают те реакции, за счет которых Солнце и светит. Благодаря современной астрофизике мы хорошо знаем, что должно происходить в центре Солнца, а значит, можем вычислить темп производства там нейтрино и их поток, попадающий на Землю. Измерив этот поток в эксперименте (рис. 6), мы тем самым сможем впервые заглянуть прямо в центр Солнца и проверить, насколько хорошо мы понимаем его устройство и работу.

Эксперименты по регистрации солнечных нейтрино проводятся с 1960-х годов; часть Нобелевской премии по физике за 2002 год ушла как раз за эти наблюдения. Поскольку энергия солнечных нейтрино маленькая, порядка МэВ и меньше, нейтринный детектор не может определить их направление, а лишь фиксирует количество событий ядерных превращений, вызванных нейтрино. И здесь тоже сразу же возникла и постепенно крепла проблема. Например, эксперимент Homestake , проработавший около 25 лет, показал, что, несмотря на флуктуации, регистрируемый им поток в среднем в три раза меньше предсказанного астрофизиками. Эти данные были в 90-х годах подтверждены и другими экспериментами, в частности Gallex и SAGE .

Уверенность в том, что детектор работает правильно, была настолько велика, что многие физики склонялись к тому, что астрофизические теоретические предсказания где-то дают сбой - уж слишком сложные процессы идут в центре Солнца. Однако астрофизики уточняли модель и настаивали на надежности предсказаний. Таким образом, проблема не исчезала и требовала объяснения.

Конечно, и здесь теоретики уже давно думали о нейтринных осцилляциях. Предполагалось, что на пути из солнечных недр часть электронных нейтрино превращается в мюонные или тау. А поскольку эксперименты типа Homestake и GALLEX в силу своего устройства ловят исключительно электронные нейтрино, то они их и недосчитываются. Более того, в 70-80-х годах теоретики предсказали, что нейтрино, распространяющееся внутри Солнца, должно осциллировать слегка иначе, чем в вакууме (это явление получило название эффекта Михеева–Смирнова–Вольфенштейна), что тоже могло бы помочь с объяснением солнечной аномалии.

Чтобы разрешить проблему солнечных нейтрино, требовалось сделать простую, казалось бы, вещь: построить такой детектор, который смог бы улавливать полный поток всех типов нейтрино, а также, отдельно, поток нейтрино электронных. Именно тогда можно будет убедиться, что нейтрино, произведенные внутри Солнца, не исчезают, а просто меняют свой сорт. Но из-за малости энергии нейтрино это было проблематично: ведь они не могут превратиться в мюон или тау-лептон. Значит, искать их надо как-то иначе.

Детектор Super-Kamiokande попробовал справиться с этой задачей, используя упругое рассеяние нейтрино на электронах атома и регистрируя ту отдачу, которую получает электрон. Такой процесс, в принципе, чувствителен к нейтрино всех сортов, но из-за особенностей слабого взаимодействия подавляющий вклад в него дает электронное нейтрино. Поэтому чувствительность к полному нейтринному потоку оказалась слабой.

И вот здесь решающее слово сказал другой нейтринный детектор, SNO. В нем, в отличие от Super-Kamiokande, использовалась не обычная, а тяжелая вода, содержащая дейтерий. Ядро дейтерия - дейтрон - это слабо связанная система протона и нейтрона. От удара нейтрино с энергией несколько МэВ дейтрон может развалиться на протон и нейтрон: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Такой процесс, вызванный нейтральной компонентой слабого взаимодействия (переносчик - Z-бозон), имеет одинаковую чувствительность к нейтрино всех трех типов, а регистрируется он легко по захвату нейтрона ядрами дейтерия и высвечиванию гамма-кванта. Кроме того, SNO отдельно может регистрировать и чисто электронные нейтрино по расщеплению дейтрона на два протона, \(\nu_e + d \to e + p + p\), которое происходит за счет заряженной компоненты слабых взаимодействий (переносчик - W-бозон).

Коллаборация SNO начала набирать статистику в 1998 году, и, когда данных накопилось достаточно, она в двух публикациях, 2001-го и 2002 года, представила результаты измерения полного нейтринного потока и его электронной компоненты (см.: Measurement of the Rate of ν e +d →p +p +e B и ). И как-то всё вдруг встало на свои места. Полный поток нейтрино действительно совпал с тем, что предсказывала солнечная модель. Электронная часть действительно составляла всего лишь треть от этого потока, в согласии с более ранними многочисленными экспериментами прошлого поколения. Таким образом, никуда солнечные нейтрино не потерялись - просто, родившись в центре Солнца в форме электронных нейтрино, они действительно на пути к Земле перешли в нейтрино другого сорта.

Акт третий, продолжающийся

Тогда, на рубеже веков, проводились и другие нейтринные эксперименты. И хотя физики давно подозревали, что нейтрино осциллируют, именно Super-Kamiokande и SNO представили неопровержимые аргументы - в этом их научная заслуга. После их результатов в нейтринной физике как-то разом произошел фазовый переход: мучавшие всех проблемы исчезли, а осцилляции стали фактом, предметом экспериментальных исследований, а не только теоретических рассуждений. Нейтринная физика прошла через стадию взрывообразного роста, и сейчас это одна из самых активных областей физики элементарных частиц. В ней совершаются регулярно новые открытия, по всему миру запускаются новые экспериментальные установки - детекторы атмосферных, космических, реакторных, ускорительных нейтрино, - а тысячи теоретиков пытаются найти в измеренных параметрах нейтрино намеки на Новую физику.

Не исключено, что рано или поздно удастся именно в таком поиске нащупать некую теорию, которая придет на смену Стандартной модели, свяжет воедино несколько наблюдений и позволит естественным способом объяснить и нейтринные массы и осцилляции, и темную материю, и происхождение асимметрии между веществом и антивеществом в нашем мире, и другие загадки. То, что нейтринный сектор стал ключевым игроком этого поиска, - во многом заслуга Super-Kamiokande и SNO.

Источники:
1) Super-Kamiokande Collaboration. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos // Phys. Rev. Lett. V. 81. Published 24 August 1998.
2) SNO Collaboration. Measurement of the Rate of ν e +d →p +p +e − Interactions Produced by 8 B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 87. Published 25 July 2001.
3) SNO Collaboration. Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 89. Published 13 June 2002.

Нобелевскую премию в области физики за 2015 год получили Такааки Кадзита (Япония) и Артур Манкдоналд (Канада) за исследования нейтрино и эксперименты по обнаружению массы этой элементарной частицы. Об этом Нобелевский комитет сообщил на специальной пресс-конференции в столице Швеции Стокгольме.

"Открытие изменило наше понимание самых сокровенных процессов в материи и может оказаться крайне важным для нашего понимания вселенной", - говорится в пресс-релизе комитета.

Сумма Нобелевской премии в этом году составляет 953 тысячи долларов США. Исследователи разделят ее пополам.

Отметим, что исследования нейтрино помогают ученым заглядывать в глубокий космос, отслеживать жизненный цикл звезд, обнаруживать далекие астрономические объекты. С их помощью также ведутся исследования состава Земли. Кроме того, понятие нейтрино используется в квантовой механике – например, через исследования в этой области физики рассчитывают создать новые технологии передачи информации на большие расстояния и через огромные препятствия.

Напомним, в 2014 году награду в области физики присудили японцам Исомо Акасаки, Хироши Амано и гражданину США также японского происхождения Cюдзи Накамуре.

Всего с 1901 года и до сегодняшнего дня Нобелевскую премию в области физики вручали 108 раз, отметив ею 199 ученых. Лауреатов высшей научной награды не объявляли только в 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 и 1942 годах.

Самым молодым физиком, получившим "нобеля" был австралиец Лоуренс Брэгг. Вместе со своим отцом Уильямом Брэггом он был отмечен в 1915 году за исследования структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Ученому на момент оглашения результатов голосования Нобелевского комитета было всего 25 лет. А старейшему нобелевскому лауреату в области физики, американцу Рэймонду Дэвису, в день присуждения награды было 88 лет. Свою жизнь он посвятил астрофизике и смог обнаружить такие элементарные частицы, как космические нейтрино. Средний возраст физиков в день присуждения им премии до сегодняшнего дня составлял 55 лет.

Среди лауреатов-физиков наименьшее количество женщин – всего две. Это Мария Кюри, которая вместе с мужем Пьером в 1903 году получила награду за исследования радиоактивности (она в принципе первой из женщин получила высшую научную награду) и Мария Гепперт-Майер – ее в 1963 году наградили за открытия, касающиеся оболочечной структуры ядра.

МОСКВА, 6 окт - РИА Новости . Канадский физик Артур Макдональд, получивший Нобелевскую премию 2015 года вместе японцем Такааки Каджита за открытие нейтринных осцилляций, мечтает об измерении точной массы нейтрино, которая позволила бы ученым раскрыть секрет рождения Вселенной, о чем он сообщил на пресс-конференции в Стокгольме.

"Да, у нас действительно есть еще масса вопросов по поводу того, что собой представляют нейтрино и как их трансформации вписываются в Стандартную Модель физики. Мы пока не знаем, чему равна масса нейтрино, и сейчас в наших лабораториях проводятся эксперименты, в рамках которых мы пытаемся вычислить ее и понять, существуют ли другие типы этих частиц", — заявил ученый.

Макдональд и Каджита стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2015 год благодаря открытому ими в 1998 году феномену нейтринных осцилляций - способности этих неуловимых частиц "переключаться" между тремя типами: электронными, мюонными и тау-нейтрино.

Нейтрино представляют собой электрически нейтральные элементарные частицы, которые возникают в результате ядерных реакций разного типа, в частности на ядерных реакторах, или рождаются на Солнце и попадают на Землю с космическими лучами. Они отличаются крайне высокой проникающей способностью. Нейтрино может пролететь сквозь сотни метров бетона и "не заметить" препятствия.

Способность разных типов нейтрино превращаться друг в друга может существовать только в том случае, если эта частица имеет ненулевую массу. От наличия массы у нейтрино зависят оценки массы Вселенной, а значит представления о ее дальнейшей судьбе. Кроме того, ненулевая масса нейтрино может объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней практически нет, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества того и другого.

Открытие Макдональда и Каджиты было окончательно подтверждено только летом 2015 года, когда физики ЦЕРН зафиксировали пятое тау-нейтрино в потоке мюонных нейтрино, движущихся из Швейцарии в Италию, где расположен знаменитый детектор OPERA, породивший сенсацию со "сверхсветовыми нейтрино" в 2011 году, которая была вскоре опровергнута.

Сейчас нельзя предсказать, как будут использоваться результаты изучения нейтрино, считают эксперты. Однако некоторые практические результаты у этих исследований все-таки уже есть или их можно ожидать в ближайшем будущем.

Как рассказали российские ученые РИА "Новости" в рамках "Научного понедельника", с помощью нейтриноскопии Земли можно составлять карты пород в недрах Земли, изучать историю извержений вулканов и таяния льдов в Антарктике, а также следить за работой атомных электростанций и отслеживать испытания ядерного оружия.

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 . O казалось, 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.