Все о нейтрино: Частица-призрак: нейтрино

Нейтрино

Н. А. Брюханова Введение     Нейтрино − фундаментальные частицы, лептоны, не имеющие заряда и обладающие крайне малой массой. Изучение этих частиц  является одним из важных направлений в физике, поскольку дает возможность обнаружить эффекты, находящиеся за пределами стандартной модели. Нейтрино как фундаментальная частица Рис. 1. Спектры электронов и нейтрино     Появление такого объекта, как нейтрино, в физике частиц, неразрывно связано с явлением бета-распада. Этот распад обладает известной особенностью − непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде. Единственным способом устранить противоречие с законами сохранения было введение новой частицы, обладавшей малой массой и нейтрально заряженной. Нейтрино впервые предложил Паули, и сразу указал, что регистрация подобной частицы окажется весьма трудной задачей. Это оказалось правдой − изучение нейтрино потребовало специфических технических решений. Однако в итоге оно было изучено достаточно подробно. В частности, стало понятно, что нейтрино не является истинно нейтральной частицей, и существует явная разница между нейтрино и антинейтрино. Это привело к некоторым затруднениям в начале истории их регистрации. Так же не менее существенной особенностью является существование трех типов нейтрино, соответствующих трем заряженным лептонам − электрону, мюону и таону. Закон сохранения лептонного заряда считается достаточно важным законом сохранения, а его нарушение приведет к выходу за рамки стандартной модели. В частности, поэтому и ведутся многочисленные исследования в этой области. Методы детектирования нейтрино Рис. 2. Эксперимент в Саванна Ривер     Первым экспериментом по детектированию нейтрино был эксперимент Ф. Райнеса и К. Коэна в Саванна Ривер (1956 г.) Строго говоря, получены были реакторные антинейтрино, в эксперименте, схема которого показана на рис.2.     В данном случае используется реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон. p + e →  n + e+     Очевидно, позитрон быстро аннигилирует с электроном, что даст два гамма-кванта, которые можно зарегистрировать. Кроме этого, нейтрон так же возможно зарегистрировать, используя кадмий, который при поглощении нейтрона переходит в возбужденное состояние, что снова вызывает гамма-излучение. С помощью сцинтилляторов и фотоумножителей обе вспышки можно зафиксировать, что и позволило объявить о регистрации антинейтрино.     Регистрация нейтрино оказалась сложнее. Поскольку реакция должна была идти на нейтроне, которого в свободном виде не существует, Б. М. Понтекорво был предложен хлор-аргоновый метод, в котором хлор за счет реакции нейтрино с одним из нейтронов превращался в аргон. Обнаружение аргона позволяет говорить о регистрации нейтрино в эксперименте. ν + 37Cl →  37Ar + e−.     Именно постановка такого опыта показала, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, и привела к открытию закона сохранения лептонного заряда. В настоящий момент методы детектирования нейтрино несколько изменились, но радиохимические, наподобие хлор-аргонового, все еще актуальны. Современные методы изучения нейтрино     В зависимости от энергий и происхождения, детектирование нейтрино происходит разными способами. Поэтому необходимо иметь представление о том, откуда приходят к нам эти частицы. Надо помнить также основную проблему работы с нейтрино − крайне слабое взаимодействие с веществом.     Самые многочисленные нейтрино − реликтовые. К сожалению, их энергия крайне мала, и весь этот поток остается нами незамеченным. Далее идут солнечные и геонейтрино − первые вполне поддаются регистрации на многих детекторах, вторые же обыкновенно являются фоном. Следующими по энергиям наблюдаются нейтрино от некоторых астрофизических процессов, ускорителей и реакторов. Еще выше лежат энергии атмосферных нейтрино и нейтрино, испускаемых квазарами. Потоки этих частиц с ростом энергий убывают, что осложняет их детектирование. Некоторым облегчением впрочем может послужить тот факт, что при росте энергий нейтрино растет и их сечение взаимодействия с веществом. Рис. 3. Энергии различных видов нейтрино     Методы, применяемые для регистрации нейтрино, очень сильно зависят от их источника. В изучении различных нейтрино космического происхождения одну из ключевых ролей играет черенковское детектирование. Оно требует большого объема детектора, однако хорошо зарекомендовало себя. Принцип работы данного метода следующий: ультрарелятивистское нейтрино в случае взаимодействия с веществом порождает заряженный лептон сверхвысокой энергии. Этот лептон, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в среде, порождает излучение Вавилова-Черенкова, которое возможно зафиксировать фотоумножителями. Этот метод используется в детектировании нейтрино галактического и внегалактического происхождения на так называемых нейтринных телескопах (Байкал, KM3Net, ANTARES, IceCUBE), а также в знаменитых экспериментах по регистрации солнечных нейтрино в Камиоке (Япония), о которых еще будет упомянуто в дальнейшем.     В изучении реакторных нейтрино на данный момент используют сцинтилляционные детекторы. В них используется захват антинейтрино протоном с рождением позитрона и нейтрона. Подобная реакция использовалась еще в Саванна Ривер, однако на сегодняшний день возможно строить более эффективные и компактные детекторы. Одной из разработок в данном направлении является iDREAM − промышленный детектор реакторных антинейтрино.     В эксперименте OPERA для фиксации взаимодействий нейтрино используются фотоэмульсии, которые перемежаются слоями низкофонового свинца. Кроме того, дополнительную информацию дают сцинтилляционные детекторы, дополнительные пластины фотоэмульсий, а также детекторы мюонов. Рис. 4. Спектр солнечных нейтрино и пределы различных методов     Из перспективных, но нуждающихся в развитии методов можно отметить галлий-германиевый детектор, который имеет более низкий порог регистрации нейтрино по энергии. Идея метода существует довольно давно, и он позволил зафиксировать, к примеру, солнечные нейтрино от водородного цикла. Но, в отличие от хлор-аргонового метода, в галлий-германиевом гораздо острее стоит проблема выделения продукта реакции.  Именно это затрудняет работу детекторов.     Даже в современных методах регистрации фиксируется довольно малый процент приходящих нейтрино, и это составляет значительную трудность. Проблема солнечных нейтрино     В ядерных реакциях на Солнце нейтрино образуются в достаточно большом количестве. Разумеется, это электронные нейтрино. Модели достаточно точно предсказывали поток нейтрино, который должен при этом получаться. Однако, еще в 60-х годах было обнаружено, что этот поток в два-три раза меньше, чем предсказывается так называемой «стандартной солнечной моделью». Конечно, была вероятность, что параметры этой модели попросту неверны, ведь небольшое понижение температуры давало необходимый спад интенсивности реакции.     Одним из детекторов, наиболее точно измеривших этот недостаток нейтрино, был Super-Kamiokande. За счет того, что этот детектор собрал самую большую статистику по солнечным нейтрино в истории, стало возможным точно указать на данную проблему. Поскольку уменьшение температуры Солнца ведет к некоторым другим проблемам, решение пришло из иной области. Масса нейтрино. Осцилляции     Еще в самом начале изучения нейтрино возникал вопрос: действительно ли это − безмассовая частица. Дело в том, что наличие у нейтрино массы повлекло бы за собой ряд достаточно интересных последствий.     В теории слабых взаимодействий кварков возникает понятие смешивания кварков. Это явление позволяет понять принципы нарушения CP-четности. Еще Б.М. Понтекорво было предложено, что аналогичное явление могло бы происходить с нейтрино. Однако для этого требовалось условие, которое не входит в нынешнюю стандартную модель: наличие у нейтрино массы. В таком случае, массовые состояния, и состояния по аромату будут различаться, и станет возможным регистрировать результат так называемых нейтринных осцилляций.     В итоге, если даже Солнце покидают исключительно электронные нейтрино, Земли будет достигать уже смешанный поток. С учетом расстояния между Солнцем и Землей, поток электронных нейтрино будет составлять около одной трети. Это вполне согласуется с результатами экспериментов в Камиоке. Поскольку многие эксперименты чувствительны только к одному аромату нейтрино, точно определить остальные компоненты оказывается сложным.     Наличие массы у нейтрино приводит к еще одной проблеме. Нейтрино и антинейтрино отличаются исключительно своей спиральностью. В случае массивного нейтрино эта разница перестает быть непреодолимой. В итоге, нейтрино может стать майорановским, то есть частица становится тождественной античастице. Наличие у нейтрино массы не дает окончательного ответа, является ли эта частица дираковской или майорановской, однако некоторые исследования могут пролить свет на этот вопрос. Экспериментальные исследования осцилляций     Экспериментальное наблюдение осцилляций позволит определить разницу масс нейтрино (и подтвердит их наличие). На данный момент многими признано, что эксперименты в лаборатории SNO зарегистрировали как общий поток нейтрино, так и отдельно поток электронных. Это указывает на то, что от Солнца приходят частицы и других типов. Общий поток при этом хорошо согласовывался с теоретическими предсказаниями.     Эксперимент OPERA, изучающий пучок ускорительных мюонных нейтрино также зафиксировал несколько событий рождения тау-лептона. К сожалению, точно говорить о надежности этого результата пока сложно, ибо при таком числе событий выводы будут несколько поспешными.     Эксперименты с регистрацией реакторных и ускорительных нейтрино в разные годы в Камиоке также дают надежду на то, что осцилляции являются реальностью.     Для более точного наблюдения нейтринных осцилляций предполагается использование более длинной базы прохождения нейтрино. При этом планируется измерять потоки вблизи источника, и на значительном от него расстоянии. Выдвигались даже проекты, в которых пучок нейтрино проходит практически сквозь Землю, однако они сопряжены с серьезными техническими трудностями.     Астрофизические эксперименты так же пытаются со своей стороны подойти к проблеме нейтринных осцилляций. Основная цель разрабатываемого проекта ORCA − определение, какой из вариантов иерархии масс нейтрино является верным: прямой или обратный. Дело в том, что из осцилляций нам известны разницы масс, однако непонятно, как эти разницы расположены, и между какими ароматами она больше.     На сегодняшний день одной из важных целей изучения нейтрино является более точная фиксация существования осцилляций. Измерение массы нейтрино     Непосредственное измерение массы нейтрино может оказаться связанным с бета-распадом. Дело в том, что поведение спектра бета-распада вблизи верхней границы спектра энергии электрона будет зависеть от того, какова масса нейтрино. Поэтому точные эксперименты по измерению спектра верхней границы энергии бета-распада сейчас проводятся по всему миру. Отличаться будет и поведение графика вблизи границы, и положение этой самой границы. Результатом будет непосредственное определение массы электронного нейтрино.     Подобные эксперименты чаще всего производят с бета-распадом лития. Первые работы в этой области провел еще Б.М. Понтекорво, в результате чего был установлен первый верхний предел для массы нейтрино. С каждым опытом, все более и более точным, верхняя граница отодвигается все к меньшим значениям масс, но до сих пор достоверного доказательства наличия массы у нейтрино таким способом не было получено.     Оценки для масс других типов нейтрино так же возможно получить из кинематических соображений в некоторых реакциях. Распад пиона, к примеру, позволяет наложить ограничение на массу мюонного нейтрино, а распад собственно тау-лептона позволил проанализировать соответствующее нейтрино. Однако все эти результаты являются только ограничением сверху, и пока что таким образом сложно судить о массе изучаемой частицы. Ясно только, что она крайне мала.     На данный момент известны следующие пределы масс: электронного:  m < 3.8 эВ, мюонного: m < 0.19 МэВ, таонного: m < 18.2 МэВ. Осцилляции, по-видимому, наложат более строгие ограничения. Нейтрино и двойной бета-распад     На сегодняшний день, двойной бета-распад является данностью, когда речь идет о двухнейтринном его варианте. Да, вероятность его достаточно мала, однако у многих изотопов он достоверно обнаружен, определены согласующиеся с теорией периоды полураспада. Однако, еще в те времена, когда не было установлено различие между нейтрино и антинейтрино, была предложена концепция двойного безнейтринного бета-распада. В этом варианте нейтрино испускалось при распаде нейтрона, а затем поглощалось вторым нейтроном при обратном процессе. При этом испускаются два электрона, и изменяется лептонное число.     После того, как разница между нейтрино и антинейтрино была установлена, вопрос двойного безнейтринного бета-распада несколько отошел на второй план. Казалось, майорановское нейтрино было напрочь перечеркнуто. Однако, изучение осцилляций нейтрино предполагает две возможные природы этих осцилляций − майорановскую и дираковскую. В связи с этим, сейчас исследования безнейтринного бета-распада снова становятся актуальными. Поскольку сами осцилляции говорят нам только о разности масс, но не говорят об их природе (более того, не исключено даже то, что самое легкое нейтрино все-таки не имеет массы), проверка существования или не существования бета-распада подобного типа окажет серьезное влияние на понимание природы явления. Перспективы исследований нейтрино     Подтверждение наличия массы у нейтрино будет первым шагом за пределы современной Стандартной модели, хотя потребует сравнительно небольшого расширения этой теории. В то же время, нарушение закона сохранения лептонного числа − довольно существенный эффект, который нельзя сбрасывать со счетов.     В практическом плане применение нейтрино стоит в самом начале своего развития. На данный момент, даже несмотря на серьезный прогресс в постройке нейтринных телескопов, существенные результаты в астрофизике еще не получены, хотя дальнейший набор статистики может это изменить.     Осцилляции нейтрино в веществе, возможно, когда-нибудь создадут условия для исследования глубинной структуры Земли, но на пути у подобного применения стоит, опять-таки, несовершенство метода регистрации.     Ближе всего к практическому применению подходит проект по мониторингу ядерных реакторов с помощью измерения потоков нейтрино. Однако, методика все еще ждет тестирования и отработки.     В любом случае, исследование нейтрино и связанных с ним явлений имеет несомненную научную ценность, и любые результаты, даже просто ставящие ограничения сверху на тонкие эффекты, чрезвычайно важна. Литература Е.В.Широков «Физика микромира», ISBN 978-5-98227-980-4, 2015 Ядерная физика в интернете, Б.С Ишханов, Э.И. Кэбин. Бета распад  Ядерная физика в интернете, Физика нейтрино Ядерная физика в интернете, Л.И. Сарычева. Ядерные реакции на Солнце и в звездах

Частица-призрак: нейтрино

Алексей Левин
«Популярная механика» №3, 2010

Пока вы читали короткий заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пролетело 10¹⁴ нейтрино.

Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.

В принципе, эту аномалию можно объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. В качестве «крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.

Паули понимал, что его идея очень уязвима для критики. Впервые он сообщил о ней в письме от 4 декабря 1930 года, адресованном специалистам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо подчеркнув, что не счел возможным публиковать свою гипотезу в научном журнале. Неформальный характер этого послания выражен даже в обращении «Дорогие радиоактивные дамы и господа!». Признавая, что его предположение выглядит «почти невероятным», Паули все же попросил коллег подумать, как обнаружить гипотетическую частицу в эксперименте.

Лингвистическое нововведение Паули скоро поменяло адресата — нейтроном назвали нейтральный аналог протона, открытый в 1932 году Джеймсом Чедвиком. А вот сама идея оказалась исключительно плодотворной. В 1933–1934 годах итальянец Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми окрестил нейтрино. При этом он совершенно по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда следует, что оно обладает световой скоростью) и что для его возникновения не нужны посредники в виде каких-либо вспомогательных частиц.

Теория Ферми описывает еще один тип бета-распада, при котором возникают ядра с уменьшенным на единицу атомным номером. Она объясняет этот распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование. Поскольку позитрон — античастица электрона, естественно предположить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Принято считать, что при электронном бета-распаде возникают антинейтрино, а при позитронном — нейтрино (в соответствии с положением теории Дирака, согласно которому частицы и античастицы всегда рождаются парами). В начале 1950-х была сформулирована концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону число –1. При обоих типах бета-распада эти числа (их называют также лептонными зарядами) сохраняются: сначала лептонов нет вовсе, а затем рождаются лептон и антилептон (электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино), и поэтому лептонное число и до, и после распада остается нулевым.

Нейтрино обладают феноменальной проникающей способностью. Ганс Бете и Рудольф Пайерлс в том же 1934 году с помощью теории Ферми вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких МэВ взаимодействуют с веществом настолько слабо, что могут беспрепятственно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет! Узнав об этом, Паули во время визита в Калифорнийский технологический заявил, что совершил ужасную вещь — предсказал существование частицы, которую вообще невозможно обнаружить!

Пессимистический прогноз Паули опровергли в 1955–1956 годах, после того как американские физики под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса экспериментально подтвердили существование нейтрино (за что в 1995 году Рейнес получил Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн).

Источником нейтрино для их эксперимента стал один из реакторов ядерного комплекса Savannah River в штате Южная Каролина. Мощные потоки антинейтрино (10 трлн частиц на 1 см² в секунду!) генерировались бета-распадами ядер урана и плутония. Согласно теории Ферми, антинейтрино при столкновении с протоном порождает позитрон и нейтрон (это так называемый обратный бета-распад). Эти превращения регистрировали с помощью обвешанного датчиками контейнера, заполненного водным раствором хлорида кадмия. Практически все антинейтрино проходили сквозь него беспрепятственно, но в отдельных случаях все же взаимодействовали с ядрами водорода. Возникающие позитроны аннигилировали с электронами, порождая пару гамма-квантов с энергиями порядка 0,5 МэВ. Новорожденные нейтроны поглощались ядрами кадмия, которые испускали гамма-кванты другой частоты. Длительная регистрация такого гамма-излучения позволила надежно доказать реальность нейтрино, о чем в июне 1956 года экспериментаторы известили Паули специальной телеграммой.

Когда группа Коуэна и Рейнеса завершила свой эксперимент, физики полагали, что все нейтрино одинаковы. Однако в конце 1950-х годов теоретики из Советского Союза, Соединенных Штатов Америки и Японии предположили, что нейтрино, сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют электронам и позитронам (эта идея впервые была высказана десятилетием раньше, но потом о ней забыли). Так возникла гипотеза нового, мюонного нейтрино (естественно, и антинейтрино). В 1961–1962 годах ее подтвердили в Брукхейвенской национальной лаборатории, и в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили за это Нобелевскую премию. Позднее теоретики поняли, а экспериментаторы удостоверили, что третий и самый массивный заряженный лептон, тау-частица, тоже обладает собственным нейтрино. Так что ныне физика имеет дело с нейтральными лептонами трех видов — это электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждой лептонной паре соответствует пара кварков (в этом же порядке перечисления) — u-кварк и d-кварк, c-кварк и s-кварк, t-кварк и b-кварк.

Существованием трех видов нейтрино объясняются парадоксальные результаты определения плотности потока достигших Земли нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях в центре Солнца. Первый детектор солнечных нейтрино Рэй Дэвис и его коллеги установили в золотодобывающей шахте в штате Южная Дакота на глубине полутора километров во второй половине 1960-х годов. Результаты их работы оказались неожиданными — плотность потока солнечных нейтрино была как минимум вдвое меньше величины, соответствующей модели внутрисолнечных процессов (уже хорошо разработанной и считавшейся вполне надежной). Со временем нейтринные обсерватории в Италии, СССР и Японии подтвердили данные американцев и с разной степенью убедительности показали, что плотность потока солнечных нейтрино примерно втрое меньше расчетной. Следует отметить, что использованный группой Дэвиса метод детектирования, основанный на нейтринном превращении хлора-37 в аргон-37, первым предложил эмигрировавший в СССР коллега Ферми, итальянский физик Бруно Понтекорво.

Полученные результаты пытались интерпретировать самыми разными путями, но в конце концов восторжествовало объяснение, предложенное более 40 лет назад Понтекорво и Владимиром Грибовым. Согласно их гипотезе, рождающиеся в недрах Солнца электронные нейтрино по пути к Земле частично изменяют свою природу и превращаются в нейтрино мюонного типа. Детекторы, о которых шла речь, их не регистрировали (или почти не регистрировали), поэтому результаты и оказались заниженными. Когда выяснилось, что существуют три разных нейтрино, стало понятным, почему измеренные показатели оказались втрое меньше ожидаемых.

Непростой характер нейтрино надежней всего доказали сотрудники канадской нейтринной обсерватории Сэд-бери (Sudbury Neutrino Observatory). Детектором у них служил установленный в действующей шахте (на глубине 2 км) контейнер из оргстекла, заполненный тысячей тонн тяжелой воды. Этот нейтринный телескоп производил детектирование двумя различными методами — один регистрировал лишь электронные нейтрино, другой — любые. Весной 2002 года экспериментаторы объявили, что второй показатель втрое больше первого. Это означало, что на Солнце рождается нужное количество электронных нейтрино, но по пути к Земле треть из них превращается в мюонные, а еще треть — в тау-нейтрино (этот процесс называется нейтринной осцилляцией).

Наличие осцилляций имеет поистине фундаментальное значение. Они возможны лишь в том случае, если нейтрино во всех своих ипостасях обладают не нулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; скорее всего, она составляет доли электрон-вольта, что как минимум в миллион раз меньше массы электрона. Однако сам факт, что она все-таки существует, позволяет объяснить асимметрию между материей и антиматерией.

Рассказ о космических нейтрино окажется неполным, если не упомянуть, что помимо нейтрино высоких энергий, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых, в космосе имеются очень низкоэнергетические нейтрино, сохранившиеся от эпохи Большого взрыва. Расчетная плотность этих реликтовых частиц совпадает с плотностью реликтовых фотонов, но обнаружить их пока невозможно (не существует приборов).

В 1937 году рано ушедший из жизни феноменально одаренный итальянский физик-теоретик Этторе Майорана опубликовал статью «Симметричная теория электрона и позитрона». В соответствии с его теорией электрически нейтральные частицы и античастицы полностью одинаковы и потому неотличимы друг от друга. Нейтрино с этими свойствами выполняют ключевую роль в теории, объясняющей космическую асимметрию между материей и антиматерией.

«Если нейтрино обладает нулевой массой, вопрос о том, отличается оно от своей античастицы или совпадает с ней, не имеет смысла. А вот наличие массы означает, что возможны оба варианта. В первом случае нейтрино называется дираковским, во втором — майорановским. И как на этот счет распорядилась природа, пока не известно, — рассказал «Популярной механике» профессор теоретической физики Северо-западного университета Андре де Гувеа. — До сих пор эксперименты показывали, что лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. Если нейтрино является дираковской частицей, этот закон вообще никогда не должен нарушаться. А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться лишь приближенно и, следовательно, допускать нарушения. Экспериментаторы знают даже, где их искать. Есть такой внутриядерный процесс, двойной бета-распад: сразу два нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Эти превращения происходят чрезвычайно редко, но все же случаются. Сейчас много где пытаются обнаружить двойной безнейтринный бета-распад — перескок ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. И если его найдут, придется согласиться, что лептонное число может не сохраняться и что нейтрино следует считать майорановской частицей».

Во всех экспериментах наблюдаются нейтрино, у которых спин противоположен импульсу, — такие частицы называют левовинтовыми. У антинейтрино спин смотрит в ту же сторону, что и импульс, — это правовинтовые частицы. Но если нейтрино подчиняется уравнению Майорана, оно может проявить себя в слабых взаимодействиях и как частица с правой ориентацией. Правда, в эксперименте подобные нейтринные разновидности не обнаружены, но это не фатально. Можно предположить, что из-за гигантской массы порядка 10¹⁴–10¹⁶ ГэВ они рождались лишь в составе сверхгорячей материи, существовавшей впервые мгновения после космологической инфляции.  Будучи крайне нестабильными, они почти мгновенно распадались и из-за прогрессирующего охлаждения Вселенной больше не возникали.

И вот тут-то начинается самое интересное. Сверхмассивные майорановские нейтрино, или просто майораны, превращаются в бозоны Хиггса и лептоны. Коль скоро в этих распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменяется. Этот процесс называется лептогенезом.

Этим дело не кончается. Взаимодействие между оставшимися после распада майоранов лептонами сверхвысоких энергий может привести к появлению кварков и антикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез — возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. А потом случилась Великая Аннигиляция со всеми ее последствиями. Сейчас бариогенез через лептогенез — наиболее популярная интерпретация дефицита антиматерии в нашей Вселенной.

«Конечно, это всего лишь теория, — поясняет профессор де Гувеа. — Мы не знаем даже, можно ли считать нейтрино майорановской частицей. Если эта гипотеза получит экспериментальное подтверждение, то позиции модели лептогенеза значительно укрепятся».

На сегодня модель с участием майорановских нейтрино лучше всего объясняет тайну абсолютного преобладания материи над антиматерией в нашей вселенной, считает экс-президент Американского физического общества, физик-теоретик Xелен Квигг из Стэнфордского университета. Она отмечает, что рождение нейтрино при распаде майоранов позволяет объяснить их ничтожную массу — для этого придумана очень красивая теория, так называемый механизм see-saw. Впрочем, доктор Квигг подчеркнула, что эта идея не может быть проверена экспериментом в обозримом будущем. По ее словам, не исключено даже, что эта модель так и останется красивой гипотезой.

Все о нейтрино. Новые исследования точнее данных 2014-го года в два раза

Коллаборация Daya Bay, в которую входят российские  ученые из Объединенного института ядерных исследований, объявила о новых очень точных результатах исследования нейтрино, пишет «Наука и жизнь».

Предыдущие результаты измерения параметров нейтрино в эксперименте Daya Bay, опубликованные в начале 2014 года, были наиболее точными в мире. Новые результаты, использующие данные за 217 дней при шести активных детекторах и за 404 дня (с октября 2012 по ноябрь 2013 года) при всех восьми работающих детекторах, обладают, по крайней мере, в два раза лучшей точностью. Они опубликованы в Physical Review Letters. 

 Нейтрино известны своим слабым взаимодействием с веществом. Они могут пройти сквозь Солнце или Землю, не вступив во взаимодействие   ни с одним атомом вещества. Более того, они так могут пройти через миллиард солнц. С одной стороны это затрудняет их регистрацию, а с другой – делает источником важнейшей информации об эволюции вселенной и процессах происходящих внутри звезд. Физики полагают, что нейтрино могут играть ключевую роль в объяснении асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Эта асимметрия заключается в том, что после Большого Взрыва не произошло полной взаимной аннигиляции материи и антиматерии, а часть материи все же осталась и сформировала Вселенную такой, какой мы видим ее сегодня. 

В эксперименте Daya Bay изучаются нейтринные осцилляции – изменение типа нейтрино по мере их движения от источника до детектора. Эти исследования позволяют определить два ключевых параметра нейтринной физики — «угол смешивания нейтрино» и «разность квадратов нейтринных масс».

В настоящее время известно о трех типах нейтрино, каждый из которых всегда рождается вместе с соответствующим лептоном – электроном, мюоном или тау-лептоном. В соответствие с этим, каждому нейтрино приписывается свое квантовое число – аромат (или «флэйвор»). Первые эксперименты указывали на то, что тип (аромат) нейтрино сохраняется. Но по мере проведения новых экспериментов появились сомнения в этом. Некоторые эксперименты регистрировали меньшее число нейтрино, чем ожидали согласно теоретическим вычислениям. Первым таким фактом был дефицит числа электронных нейтрино, летящих от Солнца, который был обнаружен еще в 1970-х годах.

Для объяснения этого было выдвинуто пара десятков предположений, из которых победила гипотеза так называемых нейтринных осцилляций. В ней предполагалось, что электронные нейтрино на пути от Солнца превращались в другие типы нейтрино. Интересно, что идею нейтринных осцилляций высказал в свое время академик Бруно Понтекорво, работавший в ОИЯИ. Серьезно об осцилляциях нейтрино заговорили во второй половине 1990-х годов.

В соответствии с этой гипотезой, в пучке, состоящем изначально только из электронных нейтрино, по мере распространения появляется примесь мюонных и тау-нейтрино с одновременным уменьшением доли электронных. Вероятность появления этой примеси зависит периодическим образом от расстояния между источником и детектором.

По современным представлениям причина этого в том, что электронное, мюонное и тау-нейтрино являются квантовой смесью трех состояний, каждое из которых входит со своей долей. Эти доли удобно выражать математически через углы смешивания. Можно сказать, что электронное, мюонное и тау-нейтрино состоят из трех волн, каждая из которых колеблется со своей частотой и амплитудой. Поэтому, если в начальный момент времени сумма этих волн выглядела как электронное нейтрино, то через некоторое время эти волны сложатся так, что появляется примесь мюонного и тау-нейтрино, что и измеряют экспериментаторы как дефицит в числе электронных нейтрино.

Именно в эксперименте Daya Bay был в 2012 измерен последний из трех углов смешивания, что выдвинуло его на ведущие роли в мире. После этого лаборатория перешла к реализации следующего этапа эксперимента, ведь вопросы в нейтринной физике еще есть, например, проблема иерархии масс нейтрино (состояний). Очень интересными являются поиски «стерильного» нейтрино — гипотетической частицы, которая может смешиваться с тремя известными типами нейтрино. Если они будут обнаружены, ученым придется пересмотреть трех-нейтринную модель осцилляций, а также Стандартную модель, которая в настоящее время описывает взаимодействия элементарных частиц.

Для этого необходимо значительно повысить точность измерением. Сейчас сделан первый шаг на этом пути. К концу 2017 года в распоряжении коллаборации будет, по крайней мере, в четыре раза больше данных, которые позволят еще больше улучшить точность измерений. Окончательные результаты ожидаются к 2023-25 году.

Эксперимент проводится в Китае в районе под названием Дая Бэй, расположенном на расстоянии 55 километров на северо-востоке от Гонконга. Здесь поблизости расположены три ядерных реакторных комплекса – Daya Bay, Ling Ao и Ling Ao 2 (шесть реакторов), непрерывно обеспечивающих поток электронных антинейтрино, рождающихся в ядерных реакциях. Это позволяет не строить специальный источник нейтрино. Для исследования нейтрино используются восемь детекторов, погруженных в три больших подземных бассейна с водой и находящихся на разных расстояниях от этих реакторов. Коллаборация Daya Bay состоит из более двухсот ученых из семи стран, в том числе и России.

Нейтрино (часть 2) | Наука и жизнь

В предыдущем номере журнала (см. «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.) рассказывалось о драматических событиях, связанных с историей открытия нейтрино буквально «на кончике пера». Предсказанные теорией уникальные свойства этой частицы — отсутствие заряда и массы, феноменальная проникающая способность — приводили к неутешительному выводу: если нейтрино и удастся обнаружить в эксперименте, то очень и очень не скоро.

Если в точке О зафиксировано мюонное нейтрино, летящее в направлении точки Р, это значит, что из О летят три «цветные» компоненты, интенсивность которых пропорциональна коэффициентам их смешивания в мюонном нейтрино.

Академик Бруно Понтекорво, итальянский физик, с 1950 года работал в нашей стране. В 1946 году предложил эксперимент по определению массы нейтрино, который неоднократно проводился в разных странах со все возрастающей точностью.

Первооткрыватель нейтрино Фредерик Рейнес (справа) с участниками «Проекта Полтергейст». 1953 год.

Самый точный на сегодняшний день эксперимент проделан под руководством В. Лобашова в Институте ядерных исследований (ИЯИ). Измерения показали, что график Кюри в области граничной энергии загибается не вниз, а вверх (а).

График Кюри. По горизонтали отложена энергия электронов, возникающих в трехчастичном распаде, по вертикали — корень квадратный из числа этих электронов.

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Открыть в полном размере

Поймать живым!

Отец «чернильного» нейтрино Вольфганг Паули был уверен, что «при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено. Однако уже 14 июня 1956 года он получил телеграмму от руководителя американской экспериментальной группы Фредерика Рейнеса: «Счастливы сообщить Вам, что мы определенно детектировали нейтрино, эффективное сечение взаимодействия равно (0,94±0,13)10^-43 см²«.

Двойное торжество — нейтрино есть и интенсивность его взаимодействия с протоном отлично совпадает с расчетами по теории Ферми.

Команда Рейнеса получила первый положительный результат еще в 1953 году, но три года группа тщательно проверяла собственное открытие на более совершенном детекторе и более мощном источнике. Как же был достигнут столь фантастический результат?

Для регистрации результата взаимодействия гипотетического нейтрино с протоном была выбрана реакция «обратного» ß-распада. По правилам квантовой механики, если существует реакция с рождением нейтрино, то должна существовать (если не запрещена законами сохранения) и «обратная» реакция с его поглощением и превращением протона в нейтрон с выделением позитрона. Таким образом, если при включенном источнике искомых нейтрино установка (большая «протонная» мишень с детектором) «сообщает» о появлении пар (позитрон и нейтрон), а при выключенном источнике «молчит», логично полагать, что виновником такого события стало взаимодействие нейтрино с протоном.

Мишень с большим числом протонов создать легко: годится любая водородсодержащая жидкость (ядро атома водорода и есть протон), например вода, в каждом кубическом сантиметре которой содержится около 10²⁴ протонов. Зарегистрировать позитрон тоже не сложно. Родившись, он почти мгновенно растратит свою энергию на электромагнитные столкновения с веществом детектора, остановится и в покое аннигилирует с первым попавшимся электроном вещества мишени. В процессе аннигиляции родятся два γ-кванта, каждый из которых будет уловлен одним из многочисленных фотоумножителей детектора.

На нейтрон тоже можно придумать ловушку. Ядра кадмия, например, «с удовольствием» поглощают нейтроны, а рожденное ядро его изотопа излучит каскад γ-квантов. Если в воде мишени растворить соль кадмия, то родившийся в ß -распаде нейтрон, попутешествовав в растворе некоторое время, встретит ядро кадмия, поглотится и испустит несколько (в среднем три) γ-кванта. Уловленные фотоумножителями, они и будут свидетельствовать о появлении нейтрона.

Огромная трудность эксперимента заключается в том, что в детектор попадает очень много «безродных» γ-квантов, не имеющих никакого отношения к искомой реакции. Их источники — космические лучи, радиоактивные элементы материала мишени и детектора. Ложные срабатывания детектора физики называют фоном. В опытах, где число искомых событий мало, необходимо надежно защитить детектор от фона. А помогают сделать это характеристики сигнала от истинного нейтринного события. Они должны быть так же неповторимы, как отпечатки пальцев, чтобы среди моря случайных (фоновых) γ-квантов и нейтронов можно было узнать «истинный нейтринный портрет». В нашем случае два γ-кванта от аннигиляции электрона с позитроном в покое имеют энергию, равную сумме масс электрона и позитрона, и делят ее ровно пополам, разлетаясь в противоположные стороны, — так велит закон сохранения энергии и импульса. Три γ-кванта от захвата нейтрона кадмием тоже имеют известные энергии, но появятся только спустя некоторое (измеренное в других опытах) время, необходимое для того, чтобы нейтрон замедлился до подходящей для захвата кадмием энергии.

Таким образом, искомое нейтринное событие должно выглядеть так:

1. Счетчики фиксируют два одновременных γ-кванта с энергиями 0,511 эВ (эта энергия соответствует энергии массы покоя электрона или позитрона) в противоположных направлениях,

2. После этого счетчики γ-квантов запираются, чтобы «чужаки» не мешали, и вновь открываются только через несколько тысячных долей секунды (на время путешествия нейтрона до поглощения кадмием), чтобы зафиксировать сигнал от трех γ-квантов с определенными энергиями.

Такого набора признаков (физики называют их критериями отбора) достаточно, чтобы уверенно распознать нейтринное событие, отличив его от фонового.

Детектор готов, и пора рассказать об использованном Рейнесом нейтринном источнике, который обеспечивал успех эксперимента. То, что в 30-е годы Паули и представить не мог, стало реальным в результате гигантского скачка в прикладной ядерной физике, инициированного войной с фашизмом.

В 1944 году в США Энрико Ферми впервые осуществил цепную реакцию деления урана, а в 1945 году американцы испытали первую ядерную бомбу. В процессе деления нейтронами ²³⁵U образуется пара осколков-ядер с меньшей суммарной массой, уносящих освобождающуюся при делении энергию около 200 МэВ. Как правило, они нестабильны и превращаются в стабильные (или долгоживущие) ядра через цепочку последовательных ß-распадов, в каждом из которых, по гипотезе Паули, должно рождаться нейтрино с энергией несколько МэВ. Осколка — два, цепочек — в среднем три. Итого в каждом делении возникает в среднем 6 нейтрино, а в ядерном реакторе мощностью 1 гигаватт ежесекундно образуется около 10²⁰ этих частиц. Вот с таким источником можно ловить нейтрино.

И все-таки это был отчаянный замысел. Рейнес с большой командой физиков и инженеров назвали его «Проект Полтергейст», ассоциируя имя с устойчивым (до сегодняшнего дня!) средневековым предрассудком, будто иногда происходят события, немыслимые без участия невидимого «суматошного духа» (polterig — суматошный, шумный; geist — дух). На него (по-нашему — барабашку) списывают летающие предметы, иногда деньги, падения с кровати, уличные беспорядки, порчу сантехники, чаще всего унитазов. А в марте 1662 года в городке Тедуорт графства Уилтшир (Англия) обиженный на судью за неправедный приговор местный барабашка зачем-то засунул в пасть судейской лошади копыто ее задней ноги.

Проектируя эксперимент, Рейнес даже хотел использовать в качестве нейтринного источника взрыв ядерной бомбы. Однако реальный эксперимент был выполнен на ядерном реакторе, который облучал мишень потоком около 10¹³ нейтрино на квадратный сантиметр за секунду. Мишенью служил 400-литровый бак с растворенным в чистейшей воде хлористым кадмием CdCl₂, а детектором — сотня фотоэлектронных умножителей, покрывающих всю поверхность «бочки» Рейнеса. В тысячах приходящих сигналов можно было распознать 40 событий протон-нейтринных взаимодействий в сутки. Эксперимент 1956 года длился около трех месяцев. Его результат и был изложен в телеграмме. Вольфганг Паули проиграл пари, быть может, самое счастливое пари в его жизни.

С тех пор нейтрино «видели» многие, потому что с 1956 года пролился…

Звездный дождь открытий

Параллельно с группой Ф. Рейнеса поимкой нейтрино занималась группа Р. Дэвиса. Идею их опыта еще в 1946 году предложил Бруно Понтекорво. Его идея состояла в следующем. Известен вариант реакции ß-распада: захват ядром изотопа аргона ³⁷Аr собственного орбитального электрона (К-захват) с испусканием нейтрино ³⁷Аr + е^— →³⁷Cl +ν . Должна быть и обратная реакция захвата нейтрино изотопом ³⁷Сl с образованием аргона ³⁷Аr. Фиксация «беспричинного» образования атомов аргона в чисто хлорной мишени, облученной потоком нейтрино из реактора, означало бы фиксацию самого нейтрино. Однако в 1956 году Р. Дэвис опубликовал результат: реакция не идет. Если этот факт объединить с открытием нейтрино Рейнесом, то вывод будет единственным: нейтрино из К-захвата и реакторное нейтрино из ß -распада различны. Они соотносятся как частица и античастица.

Спустя год в эксперименте группы Ц. By с ß-распадом ⁶⁰Со было показано, что в реакциях с участием нейтрино (слабых взаимодействиях) нарушается зеркальная симметрия (закон сохранения четности). Оказалось, что в мире элементарных частиц правое и левое не условные названия, а внутреннее свойство частиц. Интересно, что это фундаментальное открытие могло бы состояться на 30-40 лет раньше, если бы не теоретическое предубеждение в нерушимости право-левосимметричного мира. Ведь все нужное для опыта оборудование было в распоряжении экспериментаторов еще в 30-е годы. От «пустой» траты времени на проверку удерживали вера в законы симметрии и, может быть, то, что в такую возможность не поверил В. Паули: «Бог не может быть слаборуким левшой». И вот под напором эксперимента принцип симметрии рухнул в одном из прочнейших звеньев!

В 1962 году Леон Ледерман экспериментально доказал, что электронное нейтрино, рождаемое в паре с позитроном, отличается от мюонного, которое рождается в паре с мюоном. А когда в 1975 году М. Перл открыл третий заряженный лептон τ^± , стало ясно, что существует и третье нейтрино -ν_τ таонное . И все они имеют соответствующие античастицы.

Чтобы объяснить появление всех этих видов нейтрино, пришлось ввести еще одну квантовую характеристику — так называемое лептонное число. Оказалось, что при любом взаимодействии сумма всех лептонных чисел до взаимодействия и после него должна сохраняться. Казалось бы, выведен еще один фундаментальный закон, определяющий, какие реакции могут идти, а какие нет. Однако все оказалось не так просто…

Ожидаемые «сюрпризы»

Только-только с помощью сохраняющихся лептонных чисел физики навели порядок в свойствах нейтрино: запретили то, что «не положено», и разрешили все остальное, как тут же принялись разрушать такой красивый и необходимый закон. Видимо, после падения зеркальной симметрии (закона сохранения четности) повеял ветер свободы от запретов. Зачинщиком опять был Бруно Понтекорво. В 1958 году, уже работая в Дубне, он заметил, что никакой принцип, кроме закона сохранения лептонного числа, не запрещает нейтрино одного типа (аромата) самопроизвольно превратиться в нейтрино иного аромата. А если вдруг электронное нейтрино превратится в мюонное, то о сохранении лептонного заряда нейтрино надо прочно забыть.

Как же представить себе это превращение? В русских сказках Иван-царевич (или дурак) брякнулся об землю, обернулся соколом, и никто этому не удивился. Потому что «бряк об землю» — мало ли что может случиться при столкновении. А чтобы без «бряк», на ровном месте — такое случается только в мире частиц. Причем возможно это только в том случае, если частица представляет собой квантово-механическую «смесь» других частиц. Экспериментально такое явление было обнаружено для К^°-мезона: он в вакууме, без какого-либо взаимодействия, на лету, самопроизвольно превращается в анти-К^°. Называется это явление осцилляцией — периодическим превращением частицы из одного вида в другой.

Вот и любое нейтрино, например электронное e , можно представить «состоящим» из трех других. Назовем их, скажем, «красным», «желтым» и «синим». И у каждого из этих «цветных» нейтрино имеется определенная масса. Это значит, что в свободном пространстве они станут двигаться с разной скоростью. А поскольку каждая частица еще и волна, то на разных расстояниях от точки рождения волны станут складываться по законам интерференции, «собираясь» в нейтрино разных типов — электронное, мюонное или таонное.

Можно провести такую аналогию: каждый человек обладает несколькими качествами, пусть это К₁, К₂ и К₃. Они на лбу не написаны, и непосредственно узнать их нельзя. Но человек совершает разные, смотря по обстоятельствам, действия: пусть Д₁, Д₂ и Д₃, следя за которыми, можно узнать качества. Каждое качество (аналог «цвета» нейтрино) узнается по сумме (смеси) действий (аналог его типа, или аромата): К₁ — сумма всех Д с одним набором коэффициентов, К₂ — сумма тех же Д, но с другими коэффициентами, и К₃ аналогично. Легко понять, что и в каждом действии замешаны человеческие качества. Если в 8 часов утра человек совершает некоторый поступок (т. е. проявляет одну совокупность качеств), то в 8 вечера может проявиться другая совокупность и он совершит иной поступок. А «объективный» наблюдатель скажет: «Был один человек — стал другой».

Осцилляции будут обнаружены непременно, если нейтрино обладает массой… Есть ли она?

Первый и не последний вопрос

Уже семьдесят лет этот вопрос стоит укоризной и пятьдесят лет исследуется экспериментально. То, что масса нейтрино мала (по меркам элементарных частиц), догадывались с самого начала. Но какова она?

Нет способов взвесить незаряженное нейтрино, как это делалось с электроном: Р. Милликен компенсировал гравитационную силу кулоновской. Невозможно непосредственно измерить скорость нейтрино на фиксированной пролетной базе. Определение массы нейтрино может быть основано только на косвенном ее проявлении. Первое, на что обратили внимание, это зависимость формы спектра электронов в ß-распаде от конечной массы нейтрино (в нем участвует антинейтрино, но массы частицы и античастицы тождественно равны). Как уже говорилось, электронам в трехчастичном распаде доступны любые энергии от нуля до некоторой граничной (см. «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.). Пришло время указать точно, какова ее величина.

Опять поможет закон сохранения энергии. Начальное состояние — покоящееся ядро, его полная энергия равна mpc², т.е. массе родительского ядра. Конечное состояние — движущиеся дочернее ядро, электрон и нейтрино. Полная энергия этого состояния есть сумма масс частиц и их кинетических энергий. Кинетической энергией тяжелого (ядро в тысячи раз тяжелее электрона) дочернего ядра можно пренебречь, и вся кинетическая энергия делится между электроном и нейтрино различным образом от одного распада к другому.

Максимально доступная для электрона энергия возникнет в таком распаде, где нейтрино родится в покое. Это и будет граничной энергией спектра. Граничная энергия электрона выражается с хорошей точностью только через массы частиц, а массу нейтрино можно определить через атомные веса, массу электрона и измеренную граничную энергию распада. С хорошей точностью граничную энергию измерить трудно, и такой простой метод годится только для грубой оценки. Именно это имел в виду В. Паули, когда говорил, что из атомных весов видно, что масса нейтрино не больше массы электрона.

Для более точного определения массы необходимо с высокой точностью измерить форму спектра вблизи граничной энергии. Его график приведен на стр. 28 первой части статьи (см. «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.). К сожалению, нарисован он с ошибкой: спектр двухчастичного распада (а) должен соответствовать не максимальной, а граничной энергии электронов трехчастичного распада (б). График будет нагляднее, если на оси ординат отложить не N, a √ N — такое представление называется графиком Кюри. На рисунке показан ход безмассового спектра: прямая линия и ход спектров для нейтрино с массами 10 и 20 эВ. Хорошо видно, что, если энергия электронов заметно меньше граничной, все кривые неотличимы — масса нейтрино не проявляется. Но как только энергия приближается к граничной величине, ход спектра резко меняется и график стремительно «ныряет» к нулю. Вот этот «нырок» и должен уловить экспериментатор. Чем меньшую массу нейтрино мы хотим уловить, тем меньше область, где безмассовый спектр отличается от «массивного», и трудность эксперимента резко возрастает.

Первый эксперимент по определению массы нейтрино был выполнен Б. Понтекорво в 1948 году с результатом m_νотрицателен! Тут уж есть о чем задуматься и над чем поработать. А пока с уверенностью можно сказать, что в результате этого замечательного эксперимента получен рекордно низкий предел возможной массы электронного антинейтрино: m_νА что дают другие методы?

поиски осцилляции и да здравствует Солнце!

История поисков осцилляции тоже полна драматизма. Первым объявил в 1980 году о наблюдении осцилляции сам открыватель нейтрино Ф. Рейнес. Затем были и другие обнадеживающие результаты, но каждый раз последующие эксперименты на реакторных и ускорительных пучках нейтрино опровергали положительные сообщения. И до сих пор в многочисленных экспериментах не получен утвердительный ответ. Но есть нерукотворный источник нейтрино: это источник нашей жизни — Солнце.

Если бы удалось измерить поток солнечных нейтрино на Земле, то, воспользовавшись формулой для вероятности электронному нейтрино на пути от Солнца до Земли остаться самим собой, мы могли бы проверить гипотезу существования нейтринных осцилляций.

Захватывающие перспективы подвигли физиков на фантастический эксперимент. Первым был американец Дж. Дэвис. В штате Южная Дакота есть соляная шахта Хоумстейк глубиной 1455 м. Туда почти не проникают космические лучи, которые могут породить фоновые нейтрино, никакого отношения к Солнцу не имеющие. В этой шахте и помещается детектор солнечных нейтрино. Он представляет собой огромный бак, а в нем 615 тонн Сl₄С₂ (говорят, что это обычное моющее средство). Для захвата нейтрино служит та самая реакция, которая в 1956 году не шла у Дэвиса с антинейтрино от реактора. С нейтрино она должна идти, и сигналом взаимодействия с хлором будет образование атомов радиоактивного аргона. Все очень просто, пока мы не принялись за числа. Зная величину потока солнечных нейтрино, сечение слабого взаимодействия ( ≈10^-43 см²) и количество атомов хлора (2,16x 10³⁰), легко сосчитать, что за сутки в баке Дэвиса должно образоваться около двух атомов аргона! Давайте же почувствуем, насколько надо верить в разум, в предсказательную силу истинной науки и презирать досужую околонаучную болтовню о телекинезе, барабашках, «микролептонах», способных непредсказуемым образом утащить или добавить штуку-другую искомых атомов, чтобы не дрогнуть перед задачей достать и пересчитать полсотни атомов аргона из 10³⁰ других атомов.

Дэвис со своей командой научились делать это и были вознаграждены. С 1970 года они получают стабильный результат: число зарегистрированных солнечных нейтрино оказалось в четыре раза меньше того, что предсказывают «солнечные теоретики». Куда же девались остальные 3/4? Может быть, часть образовавшихся атомов аргона теряется при сложной химической процедуре или не менее сложной процедуре их пересчета? За 29 лет эксперимента эти процедуры непрерывно улучшались и проверялись, но результат — 1/4 — существенно не изменился. Может быть, ошиблись теоретики в расчетах ожидаемого числа нейтрино?

Проверка этого предположения вызвала к жизни похожий, но принципиально иной эксперимент. Дело в том, что реакция с хлором идет, только когда энергия нейтрино превысит порог 0,814 МэВ. А это значит, что детектор Дэвиса чувствителен только к бериллиевым и борным нейтрино. Максимальная энергия нейтрино водородного протон-протонного цикла — 0,42 МэВ — слишком низка. Хорошо бы построить детектор, реагирующий именно на эти нейтрино: их много больше, и для них предсказания теоретиков значительно точнее.

Выход в 1966 году нашел молодой теоретик из Института ядерных исследований Вадим Кузьмин. Он указал на то, что реакция поглощения нейтрино изотопом галлия 71Ga с образованием радиоактивного германия идет с порогом всего лишь 0,233 МэВ, а следовательно, пригодна для регистрации и водородных, и всех иных нейтрино солнечного спектра. Только в 1991 году начал действовать российско-американский Ga-Ge детектор в Баксанской (Северный Кавказ) нейтринной лаборатории (эксперимент SAGE). Мишень для солнечных нейтрино из 57 тонн металлического галлия расположена в туннеле под горой. Чуть позже заработал аналогичный детектор в подземной лаборатории Гран-Сассо, содержащий 30 тонн галлия в виде раствора GaCl3 (эксперимент GALLEX). И в этих экспериментах предстояло извлекать накопившиеся в три месяца 30 атомов германия. Но чему удивляться после Дэвиса?..

Оба эксперимента дали согласующиеся результаты: число зарегистрированных солнечных нейтрино в 2 раза меньше ожидаемого. Опять меньше, опять пропажа и опять сомнения в процедурах извлечения. В физике сомнения разрешаются только экспериментально, иногда дорогой ценой. В данном случае цена была немалая. Обе группы создали земные источники нейтрино из накопленного радиоактивного изотопа хрома. Интенсивность каждого источника была подобна интенсивности солнечных нейтрино на поверхности Земли, но с точно рассчитанным ее значением.

Контрольные извлечения атомов германия, образованного «искусственным Солнцем», в обоих экспериментах подтвердили отсутствие ошибок в процедурах извлечения.

Последнюю точку в «проблеме солнечных нейтрино» — так она называлась с первых работ Дэвиса — поставил японский эксперимент «Камиокандэ» (см. «Наука и жизнь» № 12, 1998 г.). Физики этой группы пошли по иному пути. В огромном детекторе они регистрировали результат упругого рассеяния нейтрино на атомарных электронах. Тело детектора, расположенного в шахте Камиока, — 1000 тонн сверхчистой воды; сигнал — свет от черенковского излучения электронов отдачи дает информацию об энергии электронов и направлении движения. Последнее особенно важно, ибо позволяет судить о направлении движения налетающего нейтрино и отобрать только те события, в которых нейтрино летели в направлении Солнце — Земля. Еще одна особенность эксперимента «Камиокандэ» — он регистрирует только нейтрино борные. Последний результат: отношение экспериментального числа к ожидаемому — 0,42.

Все четыре солнечных эксперимента указывают на «исчезновение» нейтрино. Почему же физики не утверждают, что осцилляции открыты? Да потому, что не удается одним набором параметров описать полную совокупность данных всех четырех «солнечных» экспериментов. Вполне может быть, что Солнце ведет себя не так, как ему предписывает Стандартная солнечная модель. Проблема солнечных нейтрино еще ждет своего разрешения.

Задание на завтра

Много раз в истории физики казалось, что вот-вот окончательно прояснится картина физического мира и физикам придется освоить что-то иное, например биологию (см. «Наука и жизнь» №№ 11 и 12, 1999 г. ). Конечно, биология — одно из самых «важных и интересных», по выражению академика В. Л. Гинзбурга, направлений современной науки, но вряд ли такой момент уже наступил. Скорее, наоборот — нейтринное поле еще «пахать и пахать» не один год. Представьте себе такой реальный проект осцилляционного эксперимента: пучок нейтрино от ускорителя в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) направляется на детектор СуперКамиокандэ (Япония) и проходит расстояние 8 752 километра вблизи земного ядра. Что покажет этот эксперимент? Или для измерения потоков космических нейтрино в качестве мишени-детектора использовать весь Байкал с его чистой водой? Еще более экзотичный проект Аманда осуществляется в Антарктиде. Пробурив на два километра материковый лед, физики добрались до чистейшего реликтового льда, свободного от неоднородностей, радиоактивности и биологической жизни, которая своим излучением так мешает сверхчувствительным фотоэлементам, предназначенным для регистрации иного света. Черенковский свет в антарктическом детекторе распространяется на сотни метров без существенного поглощения. Над этими и другими подобными проектами уже работают команды из сотен физиков и инженеров. Здесь могут потрудиться и сегодняшние студенты.

А вот задание «на завтра» для школьников. Согласно модели Большого взрыва, Вселенная должна быть заполнена реликтовыми нейтрино, доставшимися нам в том виде, какими они были через ОДНУ секунду после Начала. Их много — около 500 штук в 1 куб. см. Насколько ближе и понятней была бы нам картина Мира, если бы удалось найти экспериментальное доказательство «нейтринного изобилия».

На эту тему 30 лет назад размышлял студент МГУ Витя Шварцман и придумал способ столь замечательный, что после его ранней смерти академик Я. Зельдович, учитель B. Шварцмана, и члены-корреспонденты С. Герштейн и В. Брагинский, заново рассмотрев идею Шварцмана, нашли, что она ОСУЩЕСТВИМА. Когерентное рассеяние реликтовых нейтрино на пористом веществе передает импульс массивной мишени, которая приобретет ускорение около 10-22 см/сек². Величина небольшая, но не существует никакого физического принципа, ограничивающего точность измерения ускорения. Сегодня достигнута точность 10-16 см/сек². Требуется улучшить ее «только» в миллион раз. Достойная задача для молодого, смелого ума.

А начать надо с чтения книг. Для начального математического умения (а без него не обойтись даже на ранней стадии) подходит уже упоминавшаяся замечательная книга Я. Б. Зельдовича «Высшая математика для начинающих». В ней нет «суровой» математической строгости, но зато она идеальна для случая, когда «чешутся руки» на физическую задачку и нет сил отложить ее до прочтения многих математических томов. Книги по физике для школьников написаны выдающимися специалистами и одновременно изобретательными популяризаторами. Если вам интересна физика элементарных частиц и, в частности, физика нейтрино, прочтите Г. И. Копылова «Всего лишь кинематика», Л. Б. Окуня » α, β , γ… Z», Я. Б. Зельдовича и М. Ю. Хлопова «Драма идей в познании физики», И. Д. Новикова «Как взорвалась Вселенная», А. А. Борового «Как регистрируют частицы» — книги библиотеки «Квант». Прекрасна книга C. Вайнберга «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной» с дополнениями Я. Б. Зельдовича, Т. Редже «Этюды о Вселенной», Е. Намбу «Кварки».

•Подробности для любознательных

Нейтрино и Солнце

Без нейтрино не было бы жизни, потому что термоядерное горение водорода (Солнце — гигантский водородный шар) невозможно без участия нейтрино. Солнечные нейтрино в основном образуются в трех реакциях:
#6#

Каждую секунду Солнце испускает 1,8х1038 электронных (и только электронных!) нейтрино. Все они практически без поглощения выходят на поверхность Солнца, и часть из них достается Земле. Теоретики, создавшие Стандартную солнечную модель, утверждают, что они с большой точностью знают число нейтрино, испускаемых в каждой реакции и ежесекундно падающих на каждый квадратный сантиметр Земли:

водородные нейтрино — 6,01х10¹⁰;

бериллиевые — 0,47х10¹⁰;

борные — 5,81х10⁶.

(Данные разных «солнечных» теоретиков несколько расходятся, и здесь приведены расчеты Дж. Бакала. «Нейтринная астрофизика». — М.: Мир, 1993.)

В чем уникальность нейтрино и какие тайны они могут нам открыть

Надежда Фетисова

«Страна Росатом»

Нейтрино — ​самые загадочные фундаментальные частицы Стандартной модели. В чем их уникальность, зачем тратят столько усилий на их исследования и какие тайны они могут нам открыть? Объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.

Частица из странности

Нейтрино предсказал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, существованием этой частицы он объяснял очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.

Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.

Лишь в конце 1950-х нейтрино удалось наконец зарегистрировать. Представим мысленно еще раз весь процесс: распад ядра на другое ядро и появление электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, создающий такие распады, и есть поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеивается на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе из ниоткуда, вы можете сделать вывод, что это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Это и является основным убедительным средством регистрации нейтрино.

Такие разные

Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — ​так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — ​если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.

Есть электроны и соответствующий им тип нейтрино — ​электронный, и есть аналоги, лептоны второго и третьего поколений: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд –1, а нейтрино — ​нейтральные частицы. Когда мы говорим, что зарегистрировали мюонное нейтрино, это значит, что оно было зарегистрировано в том процессе, когда появляется мюон; нейтрино электронное — ​когда появляется электрон; тау-нейтрино — ​когда появляется тау-лептон.

Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — ​тау-антинейтрино. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что такие частицы существуют.

Проходят сквозь стены

Нейтрино очень тяжело экспериментально изучать. Они свободно проходят через все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно построить стенку, например, из свинца, шириной от Солнца до следующей звезды. Так что остается только описанный выше опосредованный способ регистрации — ​по результатам взаимодействия нейтрино с ядром.

Но есть и плюс: так как для нейтрино нет преград, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором этот источник находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг в режиме реального времени. Тот же принцип действует и в случае с ядерным реактором: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там происходят.

А если говорить о неядерных процессах и нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и если, например, энергия нейтрино в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Представим следующий процесс: космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов. Появляются энергичные нейтрино, которые проходят через центр Земли, вступают в реакции с веществом внутренних оболочек планеты. Мы можем поставить детектор на выходе, а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов. Получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.

Применений у нейтрино много, но, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понимать, как они взаимодействуют в тех или иных случаях.

В поисках стерильного

С нейтрино связаны странные процессы: например, превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого — ​это называется нейтринными осцилляциями. За исследования в этой области уже присудили несколько Нобелевских премий по физике.

В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми частицами и подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. У каждого из них есть свой «близнец» — ​антинейтрино. Согласно одной из гипотез, кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще и четвертое — ​стерильные нейтрино. Эти частицы не участвуют даже в слабом взаимодействии, отчего зарегистрировать их крайне сложно.

Обнаружить их можно по факту уменьшения потока антинейтрино в процессе осцилляций — ​при переходе «обычных» нейтрино в стерильные и обратно.

Сейчас в России проводят три эксперимента, цель которых — ​поиск стерильных нейтрино, все эти исследования поддерживает «Росатом». Первый эксперимент, DANSS, проходит на Калининской АЭС. В качестве источника нейтрино используется ядерный реактор одной из энергетических установок. На станции стоит детектор, который регистрирует антинейтрино, приходящие из ядерного реактора.

Второй эксперимент — ​«Нейтрино‑4». Его проводят в Димитровграде на исследовательском реакторе СМ‑3 в НИИАР. Третий, BEST, проводится в Кабардино-Балкарии, в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Там в качестве источника нейтрино используют короткоживущий изотоп хром‑51. По результатам взаимодействия нейтрино с детектирующим веществом (галлием) судят о том, есть стерильное нейтрино или нет. Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций, конечно, проводят не только в России. В Китае, например, проходит реакторный нейтринный эксперимент Daya Bay, в международную коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран, в том числе из России. Там источник антинейтрино — ​шесть ядерных реакторов, а в трех залах, на расстоянии от 500 до 1800 м от источника, расположены восемь антинейтринных детекторов.

Многие слышали про эксперимент IceCube, который проводится в Антарктике. Глубоко подо льдом, на расстоянии от 1450 до 2450 м друг от друга, расположены тросы с прикрепленными к ним детекторами. Как мы помним, только нейтрино могут пройти Землю насквозь, так что IceCube регистрирует нейтрино, пришедшие из Северного полушария.

В японской подземной лаборатории находится детектор Super-Kamiokande — ​там работал японский ученый Такааки Кадзита, получивший Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций.

А в США в начале 2020-х планируется эксперимент DUNE. Там осцилляции нейтрино будут изучать одновременно два детектора: ближний (в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, где расположен ускоритель) и дальний, который будет находиться на расстоянии 1300 км, в Сэнфордской подземной исследовательской лаборатории.

Теоретические предсказания, касающиеся стерильных нейтрино, ученые пытаются уточнить уже на протяжении десятка лет, однако пока нельзя говорить о том, что какой-то эксперимент имеет стопроцентный успех.

Тем не менее это новая физика, которая сейчас активно развивается. Вне зависимости от результатов этих экспериментов мы существенно расширим наши знания об устройстве мира и дополним (или опровергнем) Стандартную модель.

Есть интересная история?

Напишите нам

Читайте также:

Нейтрино. Познание вселенной продолжается | Наука и жизнь

С того момента, как Вольфганг Паули в 1930 году, спасая закон сохранения энергии в микромире, выдвинул гипотезу о существовании нейтрино, эта неуловимая частица остаётся на переднем крае физических исследований. Недаром академик Виталий Лазаревич Гинзбург, обсуждая вопрос о том, какие проблемы физики и астрофизики представляются на пороге ХХI века особенно важными и интересными, среди прочих указал нейтринную физику и астрофизику (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1999 г.). И первые два десятилетия нового века не обманули ожидания учёных. Исследования нейтрино получили сразу две Нобелевские премии: в 2002 году — за регистрацию космических нейтрино, а в 2015-м — за экспериментальное доказательство существования осцилляций нейтрино (см. «Наука и жизнь» № 12, 2002 г. и № 11, 2015 г.). Работы продолжают набирать ход, строятся новые нейтринные обсерватории, расширяется международное сотрудничество. Журнал «Наука и жизнь», держа руку на пульсе, регулярно рассказывал на своих страницах о нейтрино (см., например, №№ 2, 3, 2000 г. и №№ 3, 4, 2014 г.). Из последнего можно упомянуть открытие российскими астрофизиками рождения космических нейтрино высоких энергий блазарами (см. № 4, 2021 г.). В нашей стране исследования нейтрино ведутся в основном в Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ), который занимается этим уже полвека, с момента своего образования в 1970 году. В распоряжении института находятся уникальные установки в Баксанском ущелье (см. «Наука и жизнь» № 9, 2019 г.), на озере Байкал и в подмосковном Троицке. Кроме того, ИЯИ участвует в целом ряде крупнейших международных нейтринных проектов.

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований рассказывает директор Института ядерных исследований РАН, доктор физико-математических наук Максим Либанов. Беседу ведёт Наталия Лескова.

Максим Валентинович Либанов. Фото Наталии Лесковой.

Разработчик и многолетний руководитель установки «Троицк ню-масс» академик Владимир Михайлович Лобашёв (второй справа в первом ряду) со своей командой. Фотография 2010 года. Фото: ИЯИ РАН.

Установка «Троицк ню-масс». В настоящее время на установке проводятся эксперименты по поиску стерильных нейтрино в диапазоне масс до 5—7 кэВ. Фото: ИЯИ РАН.

Реакторы галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории. Фото: ИЯИ РАН.

Торжественный запуск глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD 13 марта 2021 года. На фото: Игорь Анатольевич Белолаптиков, и. о. начальника экспедиции, показывает оптический модуль участникам церемонии. Фото Баира Шайбонова/Baikal-GVD.

‹

›

Открыть в полном размере

— Максим Валентинович, для чего вообще нужны нейтринные исследования?

— Существование нейтрино было предсказано ещё в 30-х годах прошлого века. Причём предсказано с осторожностью, в том смысле, что тогда казалось проще допустить нарушение закона сохранения энергии и импульса, чем предположить существование новой частицы. Поэтому, когда при изучении бета-распадов ядер выяснилось, что энергия не сохраняется, ведущие физики того времени, например, Нильс Бор, уже всерьёз начали обсуждать возможность нарушения закона сохранения энергии. Но Паули в открытом письме высказал предположение, что причиной расхождений по энергии при бета-распаде может быть образование новой частицы, не имеющей заряда. Он назвал её нейтроном, однако вскоре название «нейтрон» было присвоено другой, только что открытой частице. Название «нейтрино» придумал Ферми. Обнаружить нейтрино оказалось гораздо сложнее, чем любую заряженную частицу — электрон, позитрон, протон или даже также не имеющий заряда нейтрон…

Окончательно нейтрино было открыто в 50-е годы прошлого века, после чего в самых разных направлениях начала развиваться нейтринная тематика. Стало ясно, что практически во всех известных нам ядерных реакциях участвуют нейтрино. В частности, нейтрино образуются в ядерных реакторах и в термоядерных реакциях на Солнце. Представьте: каждую секунду через нас пролетает сотни триллионов солнечных нейтрино. Но они взаимодействуют настолько слабо, что их очень сложно зарегистрировать.

Несмотря на свою неуловимость, эти частицы дают нам представление о том, как устроена физика за пределами Стандартной модели, которая считается в каком-то смысле законченной, в особенности после открытия бозона Хиггса в 2013 году.

— Но почему «в каком-то смысле»? Что-то мешает ей стать окончательно законченной?

— Да. А именно — один спорный момент: согласно этой модели, нейтрино не может иметь массу. Однако обнаружение осцилляции нейтрино, или его способности переходить из одной формы в другую, требует того, чтобы нейтрино было массивным. Очевидно, что уже по одной этой причине Стандартная модель неполна и её надо расширять. Такую возможность даёт изучение нейтрино.

В Стандартной модели помимо хорошо изученного электрона присутствуют ещё два его аналога, отличающиеся от него только массой, но имеющие такой же электрический заряд и другие характеристики, — мюон и тау-лептон. С каждой из этих заряженных частиц может взаимодействовать нейтрино. Но нейтрино, которое взаимодействует, например, с электроном, не может вступить во взаимодействие с тау-лептоном. Таким образом, в Стандартной модели присутствуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В различных реакциях они появляются только вместе со своим заряженным партнёром.

Нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях на Солнце, являются электронными. Мы знаем, сколько энергии выделяет наше светило, следовательно, можем прикинуть, сколько оттуда вылетает нейтрино, а значит, можем попытаться зарегистрировать их на Земле. Так вот, регистрируя на Земле электронные нейтрино, испущенные Солнцем, физики выяснили, что их примерно вдвое меньше, чем ожидалось.

— Куда же они подевались?

— Наиболее консервативный ответ заключается в том, что на Земле мы фиксируем нейтрино не всех энергий. Действительно, большинство ранних экспериментов могло ловить солнечные нейтрино только с достаточно большой энергией. Между тем, бóльшая часть солнечных нейтрино имеет меньшую энергию. Поэтому долгое время считалось, что мы просто не видим нейтрино с низкой энергией.

Многие экспериментальные группы стремились измерить поток нейтрино с низкой энергией. Точку в этом вопросе поставил галлий-германиевый нейтринный телескоп у нас в Баксанской нейтринной обсерватории. Идея эксперимента, предложенная членом-корреспондентом РАН Вадимом Алексеевичем Кузьминым, заключается в следующем: нейтрино от Солнца прилетают на Землю, слабо взаимодействуют с ядрами галлия, ядра галлия переходят в ядра германия, и можно посчитать их количество.

— Сколько же таких ядер насчитали?

— Цифры впечатляют: из 50 тонн галлия за месяц выделяется 15 ядер германия. А должно быть, согласно подсчётам, 30. Это даже не иголка в стоге сена.

— Почти по Маяковскому: изводишь единого ядрышка ради тысячи тонн руды.

— Именно так. Галлий-германиевый эксперимент знаменит тем, что, в отличие от предыдущих, померил практически весь спектр солнечных нейтрино и показал, что консервативный ответ не проходит, и вопрос дефицита солнечных нейтрино встал со всей остротой.

Другое решение проблемы нехватки нейтрино основано на гипотезе, выдвинутой Бруно Понтекорво в 1957 году. Он первым предположил, что есть осцилляции — то есть, в процессе движения нейтрино могут переходить из одного типа в другой. Если это так, то поток электронных нейтрино, рождённых на Солнце, приходит к нам на Землю уже в виде смеси трёх типов нейтрино. До недавнего времени все эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, включая галлий-германиевый, могли поймать только электронные нейтрино.

В 1999 году в Садбери в Канаде был запущен эксперимент SNO (Sudbury Neutrino Observatory), который смог поймать не только электронные, но и мюонные и тау-нейтрино. Измеренный полный поток нейтрино практически полностью совпал с предсказанным Солнечной моделью. За открытие осцилляций Артур Макдональд, руководитель эксперимента SNO, и Такааки Кадзита, руководитель эксперимента Камиоканде (Япония), в 2015 году получили Нобелевскую премию. Руководитель нашего галлий-германиевого эксперимента, член-корреспондент РАН Владимир Николаевич Гаврин, к сожалению, премию не получил. Однако наш эксперимент стал предтечей нобелевского результата. Без него бы, я думаю, ничего не было.

— А что сейчас известно про массу нейтрино? Её удалось измерить?

— Массу нейтрино пытались измерить многие группы учёных, в том числе у нас в Троицке, где под руководством академика Владимира Михайловича Лобашёва создана уникальная установка, любовно называемая нами «бочкой» (эксперимент «Троицк ню-масс»). По форме она действительно напоминает бочку, и там идёт прямое измерение массы нейтрино. До 2019 года на протяжении примерно десяти лет это были рекордные по точности цифры, занесённые во все таблицы элементарных частиц.

Затем наши немецкие коллеги в тесном взаимодействии с нами и с учёными из других стран в Карлсруэ (Германия) построили установку KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) — увеличенную копию нашей, около десяти метров в диаметре против нашей двухметровой, и побили наш рекорд, уточнив наши данные. Мы продолжаем активно сотрудничать. Сейчас они получили новое ограничение по массе сверху, но собственно масса нейтрино пока так и не обнаружена.

Помимо осцилляции в нейтринном секторе Стандартной модели есть и другие интересные эффекты, которые сейчас активно изучаются, — в частности, с нарушением симметрии относительно замены частиц на античастицы и правого на левое. Нарушение симметрии, как указал Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967 году, необходимо для того, чтобы мы с вами существовали. Во время Большого взрыва, если бы симметрия не была нарушена, всего бы родилось поровну — частиц и античастиц, которые бы затем проаннигилировали, и во Вселенной остались бы одни только фотоны.

— Правильно ли я понимаю, что нейтринные исследования необходимы, чтобы понять, что было, в том числе, после Большого взрыва, как развивалась Вселенная?

— Да, и как формировались галактики, как появились звёзды и так далее. Об их эволюции нам могут рассказать нейтрино. Это большое фундаментальное знание, необходимое для понимания многих процессов в нашей Вселенной.

— Почему именно нейтрино помогает нам лучше понять такие явления? Ведь мы можем ловить и протоны, и фотоны, и все они тоже несут определённую информацию.

— Тут есть одна тонкость. Скажем, мы изучаем ядра активных галактик, на что направлен, в частности, наш Байкальский эксперимент (Baikal-GVD). Что такое активная галактика? Это галактика, в центре которой сидит сверхмассивная чёрная дыра, которая «поедает» окружающую её материю. «Съесть» полностью она её не может — мешают законы сохранения, — и часть материи дыра «выплёвывает» с очень высокими, просто гигантскими энергиями. Никакие звёздные энергии в сравнение с ними не идут. При этом вылетают частицы — протоны, гамма-кванты и, по всей видимости, нейтрино. Образуются струи, называемые джетами.

Вселенная, как мы знаем, не пустая. В ней есть магнитные поля. Они очень, очень слабые, но они есть. И они отклоняют заряженные частицы. Поэтому, например, протон, испущенный оттуда, достаточно сильно отклоняется в магнитных полях. То же самое происходит со всеми заряженными частицами. Мы не знаем, откуда пришёл тот или иной протон. Фотон, хоть и нейтрален, за счёт квантовых эффектов тоже немного отклоняется в этих полях. Нейтрино же, будучи слабовзаимодействующей нейтральной частицей, приходит к нам без отклонений и практически точно указывает на источник, в котором оно было рождено.

— Но мы же далеко не всегда знаем его направление…

— Именно поэтому во всех нейтринных экспериментах очень важно восстановить направление. Именно для этого нужен Байкальский нейтринный телескоп. Чем больше его объём, тем больше мы ловим нейтрино, и за счёт большого объёма мы можем точнее восстановить направление их прихода. Используя данные других наблюдений, в частности, радиоастрономических, а в дальнейшем и наблюдения гравитационных волн, мы сможем гораздо лучше понять, какие физические процессы происходят в глубинах космоса. Такой подход, использующий данные разных наблюдений, формирует новое, в настоящее время бурно развивающееся, направление — многоканальную астрономию.

— Что даёт расположение нейтринного телескопа в глубине озера или под землёй?

— Тут мы наблюдаем два разных эффекта. Почему под землёй? Нейтрино, как мы уже поняли, проникает через любые преграды очень эффективно. Заряженные частицы — нет. Но есть фон, оставляемый заряженными частицами. На нас падают космические лучи в огромном количестве — в частности, солнечный ветер, о чём мы даже не задумываемся, но космические лучи несут колоссальную энергию. От этого фона нужно защититься, чтобы не перепутать разные события. Поэтому нейтринные эксперименты проводятся глубоко под землёй — земля защищает от космических лучей.

В частности, Баксанская подземная обсерватория специально создавалась для этих целей ещё во времена СССР. Под горой был прорыт четырёхкилометровый тоннель, по которому движутся вагонетки, там работает несколько лабораторий, осуществляющих разного рода научные исследования, которые требуют защиты от фона. Строили тоннель метростроевцы — там даже есть буква «М». Люди работают в этих лабораториях в специальных чистых одеждах, в белых халатах. Чистота крайне важна для эксперимента — иначе можно принести туда какие-нибудь радиоактивные частицы, которые также будут создавать ненужный фон. И галлий-германиевый телескоп, о котором я говорю, далеко не единственная установка.

Теперь — почему под воду? Здесь техника эксперимента несколько иная: там ловят не сами нейтрино, а так называемое черенковское излучение. Что это такое? Летит нейтрино, оно проходит сквозь Землю и, в том числе, сквозь толщу воды. Иногда, очень редко, оно взаимодействует с ядрами. Если это нейтрино очень высокой энергии, то в результате рождаются частицы с очень высокими энергиями, которые движутся почти со скоростью света в вакууме. А скорость света в воде ниже, раза в полтора. Если заряженные частицы движутся с большей скоростью, чем скорость света в среде, то они излучают свет. Эффект полностью аналогичен возникновению звуковой ударной волны от, например, самолёта, движущегося быстрее скорости звука. Этот свет называется черенковским излучением — по фамилии Павла Алексеевича Черенкова, который за открытие этого явления, эффекта Вавилова — Черенкова, стал Нобелевским лауреатом (в 1958 году, вместе с И. Е. Таммом и И. М. Франком. — Прим. ред.). Собственно, регистрируется свет — фотоны, летящие от частиц. Соответственно, для того чтобы их увидеть, нужна чистая, прозрачная вода. Иначе сигнал поглотится — и мы ничего не увидим. А в прозрачной воде или во льду зарегистрировать излучение возможно. В принципе, можно, конечно, регистрировать в стекле, но где взять кубический километр стекла? Поэтому всё делают в воде или во льду, как в Антарктиде в международном эксперименте IceCube, расположенном на американской станции Амундсен—Скотт. Американцы бурят горячей водой во льду скважину до 2,5 километра глубиной, вмораживают детекторы фотонов, похожие на огромные гирлянды, а затем ловят черенковский свет во льду. А идея эта была предложена советским физиком Моисеем Александровичем Марковым, который основал наш институт.

Со льдом есть свои проблемы. В частности, детекторы вмерзают в лёд, и достать их оттуда уже нельзя. Если сломались — починить невозможно. Вторая проблема — с чистотой. Лёд, хоть и прозрачный, но имеет пузырьки. На пузырьках свет рассеивается, что приводит к уменьшению точности восстановления направления и энергии.

В воде же пузырьков нет, и можно починить аппаратуру, если есть необходимость. На Байкале мы регулярно достаём из воды гирлянды телескопа, чиним какие-то детали, чистим поверхность. Нет проблем с прозрачностью воды и обслуживанием телескопа.

— Но ведь в байкальской воде живут разные организмы. Они не мешают проводить эксперименты?

— Да, живность там есть, и она тоже светится, но мы научились её засекать и отсеивать лишние «шумы». На глубине, куда погружаются струны детекторов, от 700 метров до 1,5 километра, внешние фотоны уже не прилетают. Остаётся лишь внутреннее свечение, но и с этим фактором мы успешно работаем. А заодно занимаемся мониторингом байкальской воды, в частности, её экологическим состоянием. Это одна из составляющих нашей работы на Байкале.

— Нейтринные исследования на Байкале начались ведь в 1980-х годах. Какие результаты удалось получить?

— Этот эксперимент, проводимый под руководством члена-корреспондента РАН Григория Владимировича Домогацкого, развивался ступенчато. Изначально была построена одна струна телескопа, потом её дополнили. Такие предварительные исследования необходимы были для того, чтобы постепенно прийти к нынешнему мегапроекту. За это время обнаружены интересные эффекты, связанные с байкальской экологией, с чистотой воды. Был открыт эффект вертикальных электрических токов в воде, который до сих пор во многом остаётся загадкой для учёных. Были проведены первые измерения потоков нейтрино, отработаны технологии обработки данных. А сейчас, благодаря расширению телескопа, мы ожидаем, что будут регистрироваться (и уже регистрируются) астрофизические потоки от ядер активных галактик и мы узнаем, рождаются ли эти нейтрино именно в этих ядрах.

Физических механизмов производства нейтрино высоких энергий не так уж много, и вопрос, производятся ли такие нейтрино в джетах ядер, остаётся открытым. Нейтринные результаты используются совместно с данными радиоастрономии. Очень важно, что наш телескоп вместе с IceCube будет покрывать всё небо, и таким образом мы получим полную картину происходящего.

— Необходимость строить такой большой телескоп объясняется именно тем, что вы хотели охватить всё небо?

— Нет, большой телескоп нужен для того, чтобы наиболее точно регистрировать потоки нейтрино. Ожидается, что мы будем регистрировать около 20 событий в год. Казалось бы, совсем немного. Но с точки зрения физики — немало. Мы будем набирать статистику, увеличивать точность определения направления и энергии, и это станет поворотным моментом во всей современной астрофизической науке. Мы ждём тут больших прорывов.

— Имеют ли нейтринные исследования какой-то прикладной выход — или это чисто фундаментальная задача?

— Можно смотреть на это по-разному. В 80-х годах XIX столетия Герц открыл электромагнитные волны. Проводя эксперимент с двумя шарами, он получил между ними электрическую искру, возмущение от которой было зафиксировано удалённым детектором. По этому поводу он написал, что явление может быть интересно студентам, но вообще ничего фундаментально важного оно собой не представляет. Прошло время. И сейчас мы не мыслим своего существования без электромагнитных волн. Радио, телевидение, мобильная связь — это всё электромагнитные волны.

Нейтрино с его всепроникающими свойствами в этом смысле аналогично по широте возможностей. Скажем, с помощью нейтрино можно просветить Землю и узнать, что у неё внутри. Выяснить её сейсмику, научиться с высокой точностью прогнозировать землетрясения. С помощью нейтрино можно разведывать полезные ископаемые, исследовать планеты и Солнце. По спектру нейтрино можно узнать, что происходит внутри ядерного реактора на атомных электростанциях, — что там делится, какие вещества, затухает он или нет. Можно кон-тролировать, что производят другие страны на своих реакторах, не нарабатывают ли они, неровен час, оружейный плутоний. Простор тут поистине неисчерпаем.

— У Станислава Лема в «Солярисе» так называемые гости были созданы именно из нейтрино, чем и объяснялось их свойство исчезать и появляться вновь. Это чистая фантастика или подобные сущности возможны на других планетах, как вы думаете?

— С моей точки зрения, это чистая фантастика. Мы понимаем жизнь как явление высоко организованное. Нейтрино взаимодействуют настолько слабо, что я не могу себе представить, чтобы они склеились хоть на какое-то время. Иначе говоря, если бы такие «гости» появились, они бы тут же исчезли, не сумев просуществовать и доли секунды, поскольку в случае нейтрино не возникает заметного притяжения между частицами. Вряд ли в них могла быть записана какая-то информация. В других фантастических произведениях изображалась фотонная жизнь — всё это звучит очень привлекательно, но представить себе подобные формы жизни в наших условиях невозможно. А фантазировать о других условиях можно долго.

— Максим Валентинович, предлагаю от нейтрино перейти к протону — частице, прикладное использование которой очевидно, в частности, в области медицинской физики. Протонной терапией рака активно занимаются во всём мире, и в нашей стране есть установки, на которых лечат пациентов. Правда ли, что в Институте ядерной физики разработали новую технологию протонной терапии?

— Лечение рака с помощью облучения было предложено в середине прошлого века. Существует традиционная лучевая терапия — облучение гамма-квантами либо электронами. И есть протонная терапия. В чем её главная особенность? Дело в том, что протон, с точки зрения физики микромира, очень тяжёлая частица. По сути, это ядро атома водорода, которое можно разогнать, и когда он попадает в вещество, он начинает излучать и терять энергию. Основную долю энергии он испускает, когда почти останавливается. То есть мы можем взять протон, подобрать ему энергию, так что он, попадая на какой-либо объект и пролетая его, в самом конце своего пути тормозит и выжигает всё, что там находится. Если это раковая опухоль, он убивает её либо делает так, что раковые клетки перестают делиться. А всё остальное остаётся непоражённым. Результат сейчас хорошо просчитывается, и такой «выстрел» может быть очень точным.

Это обычная протонная терапия, которая, действительно, развивается во всём мире. Проблема здесь в том, что пациента надо облучать несколько раз, поскольку энергии, выделяемой за один сеанс, оказывается недостаточно для уничтожения опухоли. Лечение требует времени, которого у онкологических пациентов очень часто нет.

В последнее время в мире начала развиваться так называемая флэш-терапия, от английского flash — молния, вспышка. Создают достаточно интенсивный пучок протонов, который за доли секунды выделяет практически всю свою энергию. В этом случае за один сеанс можно выжечь все раковые клетки или прекратить их деление. На Западе уже начались клинические исследования протонной терапии такого типа.

В конце прошлого года мы создали технологию ультра-флэш терапии. Она сейчас исследуется на культурах раковых клеток. Идея в том, чтобы выделение энергии происходило ещё быстрее — за несколько миллисекунд, но при этом энергию оставить ту же или даже сделать ещё больше. По сути, вся энергия протона выделяется мгновенно. Наши исследования показывают, что такой подход гораздо эффективнее, чем обычная флэш-терапия.

— Почему никто в мире до этого раньше не додумался?

— Потому что наш линейный протонный ускоритель в Троицке до настоящего времени является единственным в своём роде в Евразии. На обычных протонных ускорителях — синхротронах — такую ультракороткую вспышку получить нельзя. Во-первых, наш ускоритель имеет феноменальную мощность, хотя энергии его не самые большие. Для сравнения энергия Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе в 10 тысяч раз больше. Но интенсивность протонного пучка там сравнительно мала, потому что задачи там решаются совершенно другие. У нас же очень большой ток — то есть очень много протонов ускоряется в единицу времени. Благодаря этому и возможны эффекты ультрабыстрого выделения энергии, которые можно успешно использовать в медицине, хотя есть и другие прикладные задачи, которые мы тоже решаем. А во-вторых, на нашем ускорителе можно регулировать длительность импульса, укорачивая время воздействия на опухоль.

Надеюсь, в скором времени начнутся испытания на животных, затем — клинические исследования на людях. Если всё подтвердится, то начнётся новая эра в лечении рака. Для широкого применения нашей технологии нужно будет разработать новые протонные ускорители по аналогии с нашим ускорителем в Троицке, но направленные на более узкую медицинскую задачу.

— То есть нейтринные исследования открывают новую эру в познании космоса, а протонные исследования создают новые возможности в терапии рака. А что сложнее — узнать тайны Вселенной или победить рак?

— Вопрос философский. Рак — одна из тайн Вселенной, как и вообще человек. Поэтому, наверное, познание Вселенной — более сложная задача просто потому, что она включает в себя и познание природы человека, которая при всех успехах биологических, медицинских, гуманитарных наук остаётся чрезвычайно непростой и далёкой от решения. Ещё древние греки говорили, что познание безгранично. Мы доходим до какого-то уровня, достигаем горизонта — нам открывается новый горизонт. Мы делаем всё новые и новые шаги за горизонт, раздвигая его. В этом смысле физика даёт огромные возможности, но оставляет не меньше поводов для раздумий. Та же квантовая физика — мы знаем, как можно что-то в её рамках вычислить, но не понимаем, почему это работает. Точно так же мы знаем очень многое о человеке, но не понимаем самого феномена жизни.

Что такое нейтрино? — Scientific American

Аксель Л. Халлин, профессор физики Королевского университета и Нейтринной обсерватории Садбери, дает следующее описание:

Нейтрино — субатомная частица, очень похожая на электрон, но не имеющая электрического заряда и очень маленькая масса, которая может быть даже равна нулю. Нейтрино — одна из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно трудно обнаружить. Ядерные силы относятся к электронам и нейтрино одинаково; ни один из них не участвует в сильном ядерном взаимодействии, но оба в равной степени участвуют в слабом ядерном взаимодействии. Частицы с этим свойством называются лептонами. Помимо электрона (и его античастицы, позитрона), к заряженным лептонам относятся мюон (с массой в 200 раз больше, чем у электрона), тау (с массой в 3500 раз больше, чем у электрона) и их античастицы.

И мюон, и тау, как и электрон, имеют сопутствующие нейтрино, которые называются мюон-нейтрино и тау-нейтрино. Три типа нейтрино кажутся разными: например, когда мюонные нейтрино взаимодействуют с мишенью, они всегда будут производить мюоны, а не тау-нейтрино или электроны. При взаимодействии частиц, хотя электроны и электрон-нейтрино могут создаваться и уничтожаться, сумма числа электронов и электрон-нейтрино сохраняется. Этот факт приводит к разделению лептонов на три семейства, каждое из которых имеет заряженный лептон и сопровождающее его нейтрино.

Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, низкоэнергетическое нейтрино проходит много световых лет обычной материи, прежде чем с чем-либо взаимодействовать. Следовательно, все земные эксперименты с нейтрино основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера. Например, в нейтринной обсерватории Садбери 1000-тонный детектор солнечных нейтрино на тяжелой воде улавливает около 10 ¹² нейтрино каждую секунду. Регистрируется около 30 нейтрино в сутки.

Вольфганг Паули впервые постулировал существование нейтрино в 1930 году. В то время возникла проблема, поскольку казалось, что энергия и угловой момент не сохраняются при бета-распаде. Но Паули указал, что если бы была испущена невзаимодействующая нейтральная частица — нейтрино, то можно было бы восстановить законы сохранения. Первое обнаружение нейтрино произошло только в 1955, когда Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс зафиксировали антинейтрино, испускаемые ядерным реактором.

Естественные источники нейтрино включают радиоактивный распад первичных элементов в земле, который генерирует большой поток низкоэнергетических электронов-антинейтрино. Расчеты показывают, что около 2% солнечной энергии уносится нейтрино, образующимися там в реакциях синтеза. Сверхновые тоже в основном связаны с нейтрино, потому что нейтрино — единственные частицы, которые могут проникнуть сквозь очень плотный материал, образовавшийся в коллапсирующей звезде; только небольшая часть доступной энергии преобразуется в свет. Возможно, что большая часть темной материи Вселенной состоит из первичных нейтрино Большого взрыва.

Области, связанные с частицами нейтрино и астрофизикой, богаты, разнообразны и быстро развиваются. Поэтому невозможно попытаться обобщить всю деятельность в этой области в короткой заметке. Тем не менее, текущие вопросы, привлекающие большое количество экспериментальных и теоретических усилий, включают следующее: каковы массы различных нейтрино? Как они влияют на космологию Большого Взрыва? Осциллируют ли нейтрино? Или нейтрино одного типа могут превращаться в другой тип, когда они путешествуют через материю и пространство? Отличаются ли нейтрино от своих античастиц? Как звезды коллапсируют и образуют сверхновые? Какова роль нейтрино в космологии?

Одним из давних вопросов, представляющих особый интерес, является так называемая проблема солнечных нейтрино. Это название связано с тем фактом, что несколько наземных экспериментов, проводившихся за последние три десятилетия, последовательно наблюдали меньше солнечных нейтрино, чем было бы необходимо для производства энергии, излучаемой Солнцем. Одно из возможных решений состоит в том, что нейтрино колеблются, то есть электронные нейтрино, созданные на Солнце, превращаются в мюонные или тау-нейтрино по мере их движения к Земле. Поскольку измерить низкоэнергетические мюонные или тау-нейтрино гораздо труднее, такое преобразование могло бы объяснить, почему мы не наблюдаем правильного количества нейтрино на Земле.

нейтрино | физика | Britannica

Ключевые люди:

Вольфганг Паули
Кадзита Такааки
Артур Б. Макдональд
Бруно Понтекорво
Мелвин Шварц

Похожие темы:

проблема солнечных нейтрино
антинейтрино
электронное нейтрино
мюонное нейтрино
тау-нейтрино

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

Знать о свойствах и способах обнаружения нейтрино

Посмотреть все видео к этой статье

нейтрино элементарная субатомная частица без электрического заряда, очень малой массы и ¹ / ₂ единица вращения. Нейтрино принадлежат к семейству частиц, называемых лептонами, на которые не действует сильное взаимодействие. Скорее нейтрино подвержены слабому взаимодействию, лежащему в основе некоторых процессов радиоактивного распада. Существует три типа нейтрино, каждый из которых связан с заряженным лептоном, т. е. электрон, мюон и тау, и поэтому им присвоены соответствующие названия электрон-нейтрино, мюон-нейтрино и тау-нейтрино. Каждый тип нейтрино также имеет компонент антивещества, называемый антинейтрино; срок нейтрино иногда используется в общем смысле для обозначения как нейтрино, так и его античастицы.

Основные свойства электрона-нейтрино — отсутствие электрического заряда и малая масса — были предсказаны в 1930 году австрийским физиком Вольфгангом Паули для объяснения очевидной потери энергии в процессе радиоактивного бета-распада. Физик итальянского происхождения Энрико Ферми развил (1934 г.) теорию бета-распада и дал название «частице-призраку». Электрон-нейтрино испускается вместе с позитроном в положительном бета-распаде, а электрон-антинейтрино излучается вместе с электроном в отрицательном бета-распаде.

Тест «Британника»

Физика и законы природы

Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.

Несмотря на такие предсказания, нейтрино не обнаруживались экспериментально в течение 20 лет из-за слабости их взаимодействия с веществом. Поскольку нейтрино не заряжены электрически, они не испытывают электромагнитных сил и, следовательно, не вызывают ионизации вещества. Кроме того, они реагируют с веществом только через очень слабое взаимодействие слабого взаимодействия. Таким образом, нейтрино являются наиболее проникающими субатомными частицами, способными проходить через огромное количество атомов, не вызывая никакой реакции. Только 1 из 10 миллиардов этих частиц, преодолевая сквозь вещество расстояние, равное диаметру Земли, вступает в реакцию с протоном или нейтроном. Наконец, в 1956 группа американских физиков под руководством Фредерика Рейнса сообщила об открытии электронного антинейтрино. В их экспериментах антинейтрино, испускаемые в ядерном реакторе, реагировали с протонами с образованием нейтронов и позитронов. Уникальные (и редкие) энергетические сигнатуры этих последних побочных продуктов предоставили доказательства существования электронного антинейтрино.

Открытие второго типа заряженных лептонов, мюона, стало отправной точкой для окончательной идентификации второго типа нейтрино, мюонных нейтрино. Идентификация мюонных нейтрино в отличие от электронных нейтрино была осуществлена ​​в 1962 по результатам эксперимента на ускорителе частиц. Мюонные нейтрино высоких энергий производились при распаде пи-мезонов и направлялись на детектор для изучения их реакций с веществом. Хотя они так же неактивны, как и другие нейтрино, было обнаружено, что мюонные нейтрино производят мюоны, но никогда не производят электроны в тех редких случаях, когда они реагируют с протонами или нейтронами. Американские физики Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер получили Нобелевскую премию по физике 1988 года за установление идентичности мюонных нейтрино.

В середине 1970-х физики открыли еще одну разновидность заряженных лептонов — тау. С этим третьим заряженным лептоном также связаны тау-нейтрино и тау-антинейтрино. В 2000 году физики Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми сообщили о первых экспериментальных доказательствах существования тау-нейтрино.

Все типы нейтрино имеют массы, намного меньшие, чем у их заряженных партнеров. Например, опыты показывают, что масса электронного нейтрино должна быть меньше 0,002% массы электрона и что сумма масс трех типов нейтрино должна быть меньше 0,48 электрон-вольта. В течение многих лет казалось, что массы нейтрино могут быть точно равны нулю, хотя не было убедительной теоретической причины, почему это должно быть так. Затем в 2002 году Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) в Онтарио, Канада, обнаружила первое прямое доказательство того, что электрон-нейтрино, испускаемые ядерными реакциями в ядре Солнца, меняют тип по мере прохождения через Солнце. Такие «осцилляции» нейтрино возможны только в том случае, если один или несколько типов нейтрино обладают малой массой. Исследования нейтрино, образующихся при взаимодействии космических лучей в атмосфере Земли, также указывают на то, что нейтрино имеют массу, но необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы понять точные массы.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Что такое нейтрино? | Живая наука

Нейтрино — это субатомные частицы, которые мчатся по космосу почти со скоростью света.
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Нейтрино — неуловимые субатомные частицы, возникающие в самых разных ядерных процессах. Их название, означающее «маленький нейтральный», связано с тем, что они не несут электрического заряда. Из четырех фундаментальных сил во Вселенной нейтрино взаимодействуют только с двумя — гравитацией и слабым взаимодействием, ответственным за радиоактивный распад атомов. Почти не имея массы, они мчатся по космосу почти со скоростью света.

Бесчисленные нейтрино возникли за доли секунды после Большого взрыва. А новые нейтрино создаются постоянно: в ядерных сердцах звезд, в ускорителях частиц и атомных реакторах на Земле, при взрывном коллапсе сверхновых и при распаде радиоактивных элементов. Это означает, что нейтрино в среднем в 1 миллиард раз больше, чем протонов во Вселенной, по словам физика Карстена Хигера из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.

Несмотря на их повсеместное распространение, нейтрино в значительной степени остаются загадкой для физиков, потому что частицы очень трудно поймать. Нейтрино проходят через большую часть материи, как если бы они были световыми лучами, проходящими через прозрачное окно, почти не взаимодействуя со всем остальным существующим. Приблизительно 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела в этот момент, хотя вы ничего не почувствуете. [18 величайших неразгаданных тайн физики]

Открытие невидимых частиц

Нейтрино впервые были предложены как ответ на научную загадку. В конце 19 века исследователи ломали голову над явлением, известным как бета-распад, при котором ядро ​​внутри атома спонтанно испускает электрон. Бета-распад, казалось, нарушал два основных физических закона: сохранение энергии и сохранение импульса. При бета-распаде конечная конфигурация частиц, казалось, имела слишком мало энергии, и протон стоял на месте, а не отталкивался в направлении, противоположном направлению движения электрона. Не было до 1930, физик Вольфганг Паули выдвинул идею о том, что из ядра может вылетать дополнительная частица, неся с собой недостающую энергию и импульс.

«Я совершил ужасную вещь. Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить», — сказал Паули другу, имея в виду тот факт, что его гипотетическое нейтрино было настолько призрачным, что почти ни с чем не взаимодействовало и почти ничего не могло изменить. нет массы.

Более четверти века спустя физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс построили нейтринный детектор и поместили его снаружи ядерного реактора на атомной электростанции Саванна-Ривер в Южной Каролине. В ходе их эксперимента удалось поймать несколько из сотен триллионов нейтрино, вылетевших из реактора, и Коуэн и Рейнс с гордостью отправили Паули телеграмму, чтобы сообщить ему о своем подтверждении. Рейнс получил Нобелевскую премию по физике в 1919 г.95 — к этому времени Коуэн умер.

Но с тех пор нейтрино постоянно бросали вызов ожиданиям ученых.

Солнце производит колоссальное количество нейтрино, бомбардирующих Землю. В середине 20-го века исследователи построили детекторы для поиска этих нейтрино, но их эксперименты продолжали показывать несоответствие, обнаруживая только около одной трети нейтрино, которые были предсказаны. Либо что-то было не так с астрономическими моделями солнца, либо происходило что-то странное.

В конце концов физики поняли, что нейтрино, вероятно, бывают трех разных видов или типов. Обычное нейтрино называют электронным нейтрино, но существуют и два других вида нейтрино: мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Проходя расстояние между Солнцем и нашей планетой, нейтрино колеблются между этими тремя типами, поэтому в тех ранних экспериментах, которые были предназначены только для поиска одного аромата, не хватало двух третей их общего числа.

Но этим колебаниям могут подвергаться только частицы, обладающие массой, что противоречит более ранним представлениям о том, что нейтрино не имеют массы. Хотя ученые до сих пор не знают точных масс всех трех нейтрино, эксперименты определили, что самый тяжелый из них должен быть как минимум в 0,0000059 раз меньше массы электрона.

Новые правила для нейтрино?

В 2011 году исследователи в рамках эксперимента Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus (OPERA) в Италии вызвали всемирную сенсацию, заявив, что они обнаружили нейтрино, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света, — предположительно невозможное предприятие. Хотя результаты широко освещались в средствах массовой информации, научное сообщество встретило их с большим скептицизмом. Менее чем через год физики поняли, что неисправная проводка имитировала обнаружение скорости, превышающей скорость света, и нейтрино вернулись в царство космически законопослушных частиц.

Но ученым еще многое предстоит узнать о нейтрино. Недавно исследователи из эксперимента Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили новый тип нейтрино, называемый стерильным нейтрино. Такой вывод подтверждает более раннюю аномалию, обнаруженную в детекторе нейтрино с жидким сцинтиллятором (LSND), эксперименте в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Стерильные нейтрино перевернули бы всю известную физику, потому что они не вписываются в так называемую Стандартную модель, структуру, которая объясняет почти все известные частицы и силы, кроме гравитации.

Если новые результаты MiniBooNE подтвердятся, «это будет грандиозно; это выходит за рамки Стандартной модели; для этого потребуются новые частицы… и совершенно новая аналитическая структура», — сказала Live Science физик частиц Кейт Шолберг из Университета Дьюка.

Дополнительные ресурсы:

• Узнайте больше об осцилляциях нейтрино в этом видео от Fermilab.
• Посмотрите это полезное видео о стерильных нейтрино, также из Фермилаб.
• Узнайте больше о нейтрино из нейтринной обсерватории Южного полюса IceCube.

Адам Манн — независимый журналист с более чем десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

8 интересных фактов о нейтрино

Ришаб Накра

Администратор и Основатель «Секретов Вселенной» и бывший стажер Индийского института астрофизики в Бангалоре. Я студент естественных наук, получаю степень магистра физики в Индия . Я люблю изучать и писать о звездной астрофизике, теории относительности и квантовой механике.

Нейтрино, обычно называемые частицами-призраками природы, представляют собой фермионы, впервые постулированные
в 1930 году Вольфгангом Паули для объяснения сохранения энергии, импульса и спина при бета-распаде. Со дня своего открытия они сбивают всех с толку своими уникальными свойствами. Хотя они довольно многочисленны в природе, они все еще не полностью изучены даже после 9 лет.0 лет их постулирования. Итак, вот 8 интересных фактов о нейтрино — частицах-призраках природы.

1. Распространенность нейтрино

Нейтрино являются вторыми по распространенности частицами во Вселенной после фотонов. Солнце
посылает на Землю 65 миллиардов нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Так что около 100
триллионов из них проходят через тело человека каждую секунду. Солнце действует как фабрика нейтрино. Солнце производит энергию в своем ядре посредством ядерного синтеза. Ядерная реакция, которая происходит в ядре Солнца, известна как цепь PP. В этом процессе два протона объединяются и образуют дейтерий, испуская позитроны и нейтрино (электронные нейтрино), как показано на рисунке.

Образование нейтрино на Солнце

2. Масса нейтрино

Одним из самых удивительных фактов о нейтрино является их масса. Когда Паули впервые представил свою теорию нейтрино, он предположил, что они не имеют массы. Но позже были опубликованы новые теории, которые приписывали этим частицам небольшую, но конечную массу. Согласно последнему отчету, опубликованному в журнале Scientific American, верхний предел массы нейтрино составляет 0,086 электрон-вольта, или 0,00000000000000000000000000000000000000015 кг, что делает его как минимум в шесть миллионов раз легче электрона. Несмотря на то, что они являются самыми легкими частицами во Вселенной, они составляют 20% от общей массы Вселенной.

Читайте также: По мнению исследователей, это может быть первая в мире машина времени.

3. Осцилляция нейтрино

Существует три типа нейтрино — или, говоря техническим языком, три разновидности: электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. По мере продвижения нейтрино может переключаться между этими ароматами, действуя подобно хамелеону, меняющему цвет. Это известно как осцилляция аромата нейтрино: явление, которое решило давнюю загадку солнечных нейтрино.

Иллюстрация нейтринных осцилляций

Концепция нейтринных осцилляций имеет еще одно важное значение. Нейтрино меняют свой аромат с определенной частотой. Это означает, что у них есть «внутренние часы», в соответствии с которыми они меняют свой вкус. Так что они не застыли во времени. Тогда согласно специальной теории относительности они должны иметь конечную массу. Это еще один аргумент в пользу того, что нейтрино не безмассовы. Однако концепция осцилляции нейтрино отсутствует в стандартной модели физики элементарных частиц.

4. Сила взаимодействия

В природе существует четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и
гравитационное. Нейтрино — единственные частицы, взаимодействующие исключительно посредством слабого взаимодействия. Следовательно, они играют жизненно важную роль в изучении деталей слабого взаимодействия. Поведение нейтрино и антинейтрино важно при изучении физики элементарных частиц.

5. Степень взаимодействия нейтрино

И фотоны, и нейтрино рождаются внутри ядра звезд. Но пока фотонов
требуется десятки тысяч лет, чтобы достичь края Солнца, нейтрино совершают этот путь в
всего за 3,2 секунды. Это связано с тем, что последние весьма слабо взаимодействуют с веществом. Триллионы нейтрино ежесекундно проходят сквозь Землю, почти не взаимодействуя с ней. Это один из самых интересных фактов о нейтрино.

Подробнее: Насколько велик UY Scuti — самая большая звезда, открытая на данный момент во Вселенной?

6. Обнаружение нейтрино

Нейтрино трудно обнаружить. В среднем только одно нейтрино от Солнца
раз взаимодействует с телом человека в течение его жизни. Крупнейшим детектором нейтрино, действующим сегодня, является Super Kamiokande-III в Японии, в котором содержится 50 000 тонн воды для взаимодействия с нейтрино.

Инженеры осматривают приборы внутри наполовину заполненного резервуара Супер-Камиоканде в весельной лодке.

7. Роль в сверхновых

Эти частицы рассеивают около 99% всей энергии сверхновой. Если Бетельгейзе станет сверхновой сегодня, Super Kamiokande-III обнаружит около 13 миллионов нейтрино. Так что сверхновые — очень важные астрофизические события для изучения свойств этих призрачных частиц. Нейтрино послужит предупреждающим сигналом перед взрывом сверхновой звезды Бетельгейзе. Земля будет обстреляна взрывом нейтрино от Бетельгейзе всего за несколько часов до взрыва сверхновой. Это поможет нам выиграть время, чтобы направить наши телескопы на взрывающуюся Бетельгейзе.

Смотрите также: Что, если Бетельгейзе взорвется?

8. Нейтрино и темная материя

Эти высокоскоростные частицы также считаются кандидатами на роль горячей темной материи, поскольку они не излучают и не поглощают свет, из-за чего кажутся темными.

Эти интересные факты о нейтрино делают их призрачными частицами Вселенной. Нейтрино — горячая тема исследований как в астрофизике, так и в физике элементарных частиц. Нейтринная астрофизика — это развивающаяся область научных исследований, в которой предстоит еще многое открыть.

Подпишитесь на наш канал YouTube для просмотра научных видео

В поисках нейтрино, частиц-призраков природы | Наука

Пещерный детектор Супер-Камиоканде в Японии оснащен 13 000 сенсорами для точного обнаружения признаков нейтрино.
Обсерватория Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет

Мы наводнены нейтрино. Это одни из самых легких из примерно двух десятков известных субатомных частиц, и они исходят со всех сторон: от Большого взрыва, с которого началась Вселенная, от взорвавшихся звезд и, прежде всего, от Солнца. Они проходят сквозь землю почти со скоростью света, все время, днем ​​и ночью, в огромных количествах. Каждую секунду через наши тела проходит около 100 триллионов нейтрино.

Проблема физиков в том, что нейтрино невозможно увидеть и трудно обнаружить. Любой инструмент, предназначенный для этого, может казаться твердым на ощупь, но для нейтрино даже нержавеющая сталь — это в основном пустое пространство, столь же широко открытое, как солнечная система для кометы. Более того, нейтрино, в отличие от большинства субатомных частиц, не имеют электрического заряда — они нейтральны, отсюда и название, — поэтому ученые не могут использовать электрические или магнитные силы для их захвата. Физики называют их «частицами-призраками».

Чтобы поймать этих неуловимых существ, физики провели несколько необычайно амбициозных экспериментов. Чтобы нейтрино не путали с космическими лучами (субатомными частицами из космоса, не проникающими сквозь землю), детекторы устанавливаются глубоко под землей. Огромные из них были размещены в золотых и никелевых рудниках, в туннелях под горами, в океане и во льдах Антарктиды. Эти необычайно красивые устройства являются памятником решимости человечества познавать вселенную.

Неясно, какое практическое применение может принести изучение нейтрино. «Мы не знаем, к чему это приведет», — говорит Борис Кайзер, физик-теоретик из Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс.

Физики изучают нейтрино отчасти потому, что нейтрино — такие странные персонажи: кажется, что они нарушают правила, описывающие природу в ее самых фундаментальных проявлениях. И если физики когда-нибудь осуществят свои надежды на разработку целостной теории реальности, объясняющей основы природы без исключения, им придется объяснить поведение нейтрино.

Кроме того, нейтрино интригуют ученых, потому что эти частицы являются вестниками из дальних уголков Вселенной, созданными бурно взрывающимися галактиками и другими загадочными явлениями. «Нейтрино могут рассказать нам то, чего не могут сказать более банальные частицы», — говорит Кайзер.

Физики придумали нейтрино задолго до того, как они их нашли. В 1930 году они создали концепцию баланса уравнения, которое не складывалось. Когда ядро ​​радиоактивного атома распадается, энергия испускаемых им частиц должна равняться энергии, которую оно первоначально содержало. Но на самом деле, как заметили ученые, ядро ​​теряет больше энергии, чем улавливают детекторы. Поэтому, чтобы объяснить эту дополнительную энергию, физик Вольфганг Паули придумал дополнительную невидимую частицу, испускаемую ядром. «Сегодня я сделал что-то очень плохое, предложив частицу, которую невозможно обнаружить», — написал Паули в своем дневнике. «Это то, чего ни один теоретик никогда не должен делать».

Экспериментаторы все равно начали его искать. В лаборатории ядерного оружия в Южной Каролине в середине 1950-х годов они разместили два больших резервуара для воды возле ядерного реактора, который, согласно их уравнениям, должен был производить десять триллионов нейтрино в секунду. Детектор был крошечным по сегодняшним меркам, но все же смог обнаружить нейтрино — три в час. Ученые установили, что предполагаемое нейтрино действительно было реальным; изучение неуловимой ускоренной частицы.

Десять лет спустя поле расширилось, когда другая группа физиков установила детектор на золотом руднике Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота, на глубине 4850 футов под землей. В этом эксперименте ученые намеревались наблюдать за нейтрино, наблюдая за тем, что происходит в тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с атомом хлора и создает радиоактивный аргон, который легко обнаружить. В основе эксперимента был резервуар, наполненный 600 тоннами жидкости с высоким содержанием хлора, перхлорэтилена, жидкости, используемой в химической чистке. Каждые несколько месяцев ученые промывали резервуар и извлекали около 15 атомов аргона, что свидетельствовало о наличии 15 нейтрино. Наблюдение продолжалось более 30 лет.

Надеясь обнаружить нейтрино в большем количестве, ученые из Японии провели эксперимент на глубине 3300 футов в цинковой шахте. Супер-Камиоканде, или, как его еще называют, Супер-К, начал работать в 1996 году.   Детектор состоит из 50 000 тонн воды в куполообразном резервуаре, стенки которого покрыты 13 000 световыми датчиками. Датчики обнаруживают случайную голубую вспышку (слишком слабую для наших глаз), возникающую, когда нейтрино сталкивается с атомом в воде и создает электрон. И, проследив точный путь, пройденный электроном в воде, физики могли сделать вывод о космическом источнике сталкивающихся нейтрино. Они обнаружили, что большинство из них пришли от солнца. Измерения были достаточно чувствительными, чтобы Super-K мог отслеживать путь солнца по небу и, находясь почти на милю ниже поверхности земли, наблюдать, как день превращается в ночь. «Это действительно захватывающая вещь, — говорит Джанет Конрад, физик из Массачусетского технологического института. Треки частиц могут быть скомпилированы для создания «красивого изображения, картины солнца в нейтрино».

Но эксперименты Homestake и Super-K не обнаружили столько нейтрино, сколько ожидали физики. Исследования в нейтринной обсерватории Садбери (SNO, произносится как «снег») определили, почему. Установленный в никелевом руднике глубиной 6800 футов в Онтарио, SNO  содержит 1100 тонн «тяжелой воды», имеющей необычную форму водорода, которая относительно легко реагирует с нейтрино. Жидкость находится в резервуаре, подвешенном внутри огромного акрилового шара, который сам удерживается внутри геодезической надстройки, поглощающей вибрации и на которой подвешены 9456 датчиков света — все это выглядит как украшение рождественской елки высотой 30 футов.

Ученые, работающие в SNO, в 2001 году обнаружили, что нейтрино может спонтанно переключаться между тремя разными типами — или, как говорят физики, оно колеблется между тремя ароматами. Это открытие имело поразительные последствия. Во-первых, это показало, что в предыдущих экспериментах было обнаружено гораздо меньше нейтрино, чем предсказывалось, потому что инструменты были настроены только на один аромат нейтрино — тот, который создает электрон, — и пропускали те, которые переключались. Во-вторых, открытие опровергло убеждение физиков в том, что нейтрино, как и фотон, не имеет массы. (Колебание между ароматами — это то, на что способны только частицы, обладающие массой.) ​​

Сколько массы у нейтрино? Чтобы выяснить это, физики строят KATRIN — тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ. Бизнес-конец KATRIN может похвастаться 200-тонным устройством, называемым спектрометром, который измеряет массу атомов до и после их радиоактивного распада, тем самым показывая, сколько массы уносит нейтрино. Технические специалисты построили спектрометр примерно в 250 милях от Карлсруэ, Германия, где будет проводиться эксперимент; аппарат был слишком велик для узких дорог региона, поэтому его посадили на лодку по реке Дунай и проплыли мимо Вены, Будапешта и Белграда, в Черное море, через Эгейское и Средиземное, вокруг Испании, через Ла-Манш , в Роттердам и в Рейн, затем на юг до речного порта Леопольдсхафен, Германия. Там его погрузили на грузовик и через два месяца и 5600 миль повезли через город к месту назначения. Сбор данных планируется начать в 2012 г.

Физики и астрономы, заинтересованные в информации о том, что нейтрино из космоса могут нести сверхновые звезды или сталкивающиеся галактики, создали нейтринные «телескопы». Один, названный IceCube, находится внутри ледяного поля в Антарктиде. Когда он будет завершен в 2011 году, он будет состоять из более чем 5000 датчиков синего света (см. схему выше). Сенсоры нацелены не на небо, как можно было бы ожидать, а на землю, чтобы обнаруживать нейтрино от солнца и космоса, которые проходят через планету с севера. Земля блокирует космические лучи, но большинство нейтрино пролетают через планету шириной 13 000 километров, как будто ее там нет.

В нескольких штатах Среднего Запада проводится дальний нейтринный эксперимент. Высокоэнергетический ускоритель, генерирующий субатомные частицы, выпускает пучки нейтрино и связанных с ними частиц на глубину до шести миль под северным Иллинойсом, через Висконсин и Миннесоту. Частицы стартуют в Фермилабе в рамках эксперимента под названием «Поиск осцилляции главного инжектора нейтрино» (MINOS). Менее чем за три тысячных секунды они попали в детектор в железном руднике Судана, в 450 милях от них. Данные, которые собрали ученые, усложняют их картину этого бесконечно малого мира: теперь оказывается, что экзотические формы нейтрино, так называемые антинейтрино, могут не следовать тем же правилам генерации, что и другие нейтрино.

«Хорошо, — говорит Конрад, — что это не то, что мы ожидали».

Что касается нейтрино, то их очень мало.

Последняя книга Энн Финкбайнер , A Grand and Bold Thing , посвящена Слоановскому цифровому обзору неба, попытке нанести на карту вселенную.

Большинство нейтрино, которые бомбардируют нас, исходят от Солнца, показанного здесь на ультрафиолетовом изображении.
НАСА

Пещерный детектор Супер-Камиоканде в Японии оснащен 13 000 сенсорами для точного обнаружения признаков нейтрино. Рабочие в лодке следят за устройством, пока оно наполняется водой.
Обсерватория Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет

В ходе ряда реакций в ядре Солнца атомы водорода создают гелий в результате синтеза. В процессе высвобождается энергия и субатомные частицы, включая нейтрино. Когда фотон, или частица света, покидает плотное ядро ​​Солнца, он попадает в ловушку жара и ярости и может не достичь нас в течение миллионов лет. Но солнечные нейтрино не останавливаются и достигают Земли за восемь минут.
Самуэль Веласко / 5W Инфографика

Канадская нейтринная обсерватория Садбери подтвердила, что нейтрино может изменить свою идентичность.
СНО

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, показанные здесь в лабораторном детекторе STAR, надеются направить пучок нейтрино под землю на шахту Хоумстейк в Южной Дакоте.
БНЛ

Детектор нейтрино MINOS в Миннесоте является целью пучков нейтрино, выпущенных из Иллинойса.
Визуальные мультимедийные услуги Fermilab

Спектрометр KATRIN, который будет измерять массу нейтрино, протиснулся через Леопольдсхафен, Германия, по пути в лабораторию.
Технологический институт Карлсруэ

Детектор нейтрино IceCube в Антарктиде встроен во лед. С 5000 датчиков, подключенных к более чем 70 линиям, IceCube будет искать нейтрино, которые прошли 8000 миль через планету.
Университет Висконсин-Мэдисон

Цепочка датчиков спускается в яму глубиной 8000 футов.
Джим Хауген / Национальный научный фонд

Рекомендуемые видео

Крошечные посланники Вселенной · Границы для юных умов

Реферат

Нейтрино — крошечные субатомные частицы. Миллиарды их проходят через нас каждую секунду, в основном исходящие от нашего солнца. Но в отличие от солнечного света, который мы можем легко увидеть, нейтрино очень трудно обнаружить. Чтобы «увидеть» их, нам нужно построить действительно большие детекторы и блокировать сигналы от любых других частиц. Ученые делают это, строя детекторы нейтрино глубоко под землей. В этой статье вы узнаете, как эти гигантские детекторы могут помочь расшифровать «сообщения», которые эти призрачные частицы передают о составе и истории звезд, галактик и Вселенной.

Введение

Нейтрино — это крошечные субатомные частицы, которые кажутся почти призраками. Триллионы из них проходят через нас каждую секунду, не оставляя следа! В основном они возникают в результате ядерных реакций , которые питают наше Солнце. Но в отличие от солнечного света, который мы видим и ощущаем на своем лице, эти призрачные частицы редко взаимодействуют с обычными материалами. Чтобы «увидеть» нейтрино, ученые строят действительно большие чувствительные детекторы, часто глубоко под землей. Вещество, из которого состоит Земля, помогает экранировать сигналы от других частиц, так что сигналы редких взаимодействий нейтрино имеют шанс быть обнаруженными. Эти гигантские детекторы помогают ученым улавливать «сообщения», которые несут эти призрачные частицы. Когда ученые расшифровывают сообщения, они узнают о связи между нейтрино и составом и историей звезд, галактик и Вселенной.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — очень легкие частицы без электрического заряда. Они испускаются при распаде нестабильных атомных ядер. Такой радиоактивный распад происходит вокруг нас. Минералы в горных породах и даже калий в бананах распадаются с образованием нейтрино (см. рис. 1). Но гораздо больше нейтрино исходит от ядерных реакций на Солнце, чем от любого другого источника.

• Рисунок 1. Распад радиоактивного атома калия-40, который содержится в бананах и содержит 40 протонов (p) и нейтронов (n) в ядре, на кальций-40 плюс электрон (e ^– ) и нейтральная «призрачная» частица-посланник, называемая нейтрино (греческая буква: ν , произносится как «ню»).
• Понимание поведения нейтрино может помочь раскрыть важные тайны Вселенной. Фото: Тиффани Боуман, Брукхейвенская национальная лаборатория.

Независимо от их источника, нейтрино совершенно безвредны, потому что они не слипаются и не взаимодействуют ни с чем. Они исходят от солнца и из космоса и проходят сквозь обычную материю — даже наши собственные тела и саму Землю — без нашего ведома. Таким образом, они кажутся чем-то вроде призраков — там, и все же невидимых. Но поскольку нейтрино несут информацию о том, что происходит внутри звёзд и галактик, учёные хотят знать о них гораздо больше. Нейтрино могут даже помочь нам понять, что происходило, когда наша Вселенная впервые образовалась почти 14 миллиардов лет назад!

Как поймать призрачную частицу

Нейтрино редко взаимодействуют с обычным веществом, поэтому их очень трудно обнаружить. Если вы поставите стакан с водой на стол, через него каждую секунду будет проходить триллион нейтрино. Большинство этих загадочных частиц проходят сквозь него, не издавая ни звука, ни следов. Но время от времени, очень редко, примерно раз в десять миллионов триллионов раз, нейтрино ударяет в один из атомов, составляющих молекулу воды. Это редкое взаимодействие может вызвать крошечную вспышку света или оставить некоторый свободный электрический заряд.

Эта вспышка слишком слаба для ваших глаз. Но ученые могут построить очень чувствительные детекторы, чтобы уловить эти слабые сигналы. Как и в «Охотниках за привидениями», электроника внутри детекторов усиливает сигналы, делая невидимых «призраков» видимыми!

Но ожидание взаимодействия нейтрино «один из десяти миллионов триллионов» может занять очень много времени. Чтобы поймать достаточно нейтрино, чтобы что-то о них узнать, ученым нужен больший «стакан воды» — огромные резервуары, наполненные миллионами галлонов! И им приходится размещать огромные резервуары-детекторы глубоко под землей. Почему? Потому что нейтрино — не единственные частицы, летящие на Землю. Многие другие энергичные частицы, известные как космические лучи, также исходят из космоса. Каждая из этих частиц космических лучей может вызвать видимое взаимодействие в детекторах. Если бы резервуар детектора находился над землей, миллионы взаимодействий космических лучей легко заглушили бы редкие сигналы нейтрино. Но с детектором глубоко под землей космические лучи останавливаются взаимодействием с атомами Земли, в то время как нейтрино проходят прямо насквозь, оставляя свой след в детекторе.

Различные детекторы нейтрино и типы нейтрино

Нейтрино имеют огромный диапазон энергий. Это изменение может привести либо к крошечной вспышке света, либо к очень яркой вспышке в заполненных водой детекторах. Нейтрино также бывают трех разных типов, называемых ароматами. Ученые научились создавать детекторы, подходящие для каждого типа нейтрино и их огромного диапазона энергий.

Взаимодействие каждого типа нейтрино приводит к возникновению отрицательно заряженных частиц различного типа. Электронное нейтрино производит электрон (достаточно просто, правда?). Два других типа нейтрино названы в честь других, более тяжелых субатомных частиц: мюонное нейтрино производит мюонную частицу; а тау-нейтрино производит тау-частицу.

Существуют также версии антиматерии трех ароматов нейтрино . Они точно такие же, как нейтрино из обычного вещества, за исключением того, что они производят положительно заряженные частицы в детекторе.

Ученые могут отличить эти частицы друг от друга, потому что каждый тип оставляет в детекторе свой узор. Например, мюоны оставляют прямые следы, электроны выглядят как ливни, а тау-частицы быстро распадаются, образуя множество прямых следов. Используя различные модели, ученые могут расшифровать ароматы нейтрино и скрытое сообщение, которое несет каждая призрачная частица.

Sensitive Electronics делает трехмерные снимки

В настоящее время группа ученых строит новый гигантский нейтринный детектор глубоко под землей в Южной Дакоте, США. Этот эксперимент известен как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Его детектор будет заполнен жидким аргоном .

Газообразный аргон составляет всего 1% нашей атмосферы, но ученые могут собирать его для получения очень чистого жидкого аргона. Эта сверххолодная жидкость (–186°C) позволяет легко обнаруживать траектории движения заряженных частиц, возникающие в результате взаимодействия нейтрино. Это связано с тем, что быстрые заряженные частицы, движущиеся через жидкий аргон, ионизируют атомы аргона на своем пути. Это ионизация позволяет следам, которые они оставляют, проявляться как «молнии».

Но создание детектора холодного жидкого аргона — непростая задача. Чтобы убедиться, что этот новый дизайн будет работать, международная команда недавно создала и протестировала уменьшенную версию, известную как ProtoDUNE (см. рис. 2). Через этот детектор в европейской лаборатории физики элементарных частиц при Европейском совете ядерных исследований (ЦЕРН) простреливали разные типы частиц. Тщательно разработанная электроника улавливала и записывала сигналы, а компьютеры преобразовывали эти измерения в красивые трехмерные изображения треков частиц (см. Видео 1) — как пятимегапиксельная цифровая камера, работающая в трех измерениях!

• Рис. 2. Ученый стоит внутри детектора ProtoDUNE в европейской лаборатории CERN до того, как он был заполнен холодным (–186°C!) чистым жидким аргоном.
• Ученый осматривает внутреннюю поверхность, которая находится в изолированном ящике из очень чистой нержавеющей стали. Когда детектор заполнен и работает, на эти поверхности подается высокое напряжение, заставляющее заряженные частицы, образующиеся в результате ионизации жидкого аргона, дрейфовать и улавливаться чувствительной электроникой, чтобы ученые могли их регистрировать. Предоставлено: Национальная ускорительная лаборатория Ферми.

• Видео 1. На этом изображении показаны следы многих частиц космических лучей, проходящих через детектор protoDUNE.
• Эти данные использовались для проверки работы детектора. Цвета соответствуют интенсивности ионизации в жидком аргоне (красный меньше, синий сильнее). Ионизация осуществляется приложением к детектору мощного электрического поля. Это трехмерное изображение было создано путем анализа и объединения электронных сигналов от тысяч проводов на стенах, которые действуют как пиксели в цифровой камере. Авторы и права: Чао Чжан, Брукхейвенская национальная лаборатория. Вы можете просмотреть эти данные в 3-х измерениях по этой ссылке.

Посланники Солнца, атмосферы, реакторов и ускорителей

За последние 50 лет ученые стали лучше обнаруживать нейтрино. Они измерили их исходящие от Солнца, от столкновений космических лучей с атомами в атмосфере Земли и от ядерных реакторов, производящих электричество (см. рис. 3). Они также научились создавать очень энергичные нейтрино на мощных ускорителях частиц . Каждый вид источника производит разные ароматы нейтрино при разных энергиях. Тщательно подсчитывая нейтрино каждого аромата на разных расстояниях от этих источников, ученые сделали два замечательных открытия о нейтрино. Во-первых, они обнаружили, что нейтрино трех разных типов превращаются друг в друга, путешествуя в космосе! Другими словами, сообщения, которые несут нейтрино, меняются по мере их полета. Во-вторых, они обнаружили, что нейтрино имеют очень маленькую массу! Каждая частица нейтрино весит менее одной миллионной массы электрона.

• Рис. 3. Четыре источника нейтрино, используемые для экспериментов.
• (A) Солнце производит электронные нейтрино ( ν _e ). (B) Нейтрино двух типов, мюонные ( ν _μ ) и электронные ( ν _e ), образуются в результате столкновений атомов высоких энергий в атмосфере Земли с космическими лучами. (C) Ядерные реакторы испускают антиэлектронные нейтрино (анти- ν _и ). (D) Ускорители протонов высоких энергий производят пучок мюонных нейтрино ( ν _μ ), направленный через Землю. Детекторы располагают на разном расстоянии от источников. Фото: Тиффани Боуман, Брукхейвенская национальная лаборатория.

Самый первый эксперимент по успешному обнаружению солнечных нейтрино, проведенный Рэймондом Дэвисом из Брукхейвенской национальной лаборатории в 1960-х годах, оказался сюрпризом: многие из нейтрино, которые ученые ожидали обнаружить, каким-то образом «отсутствовали». Но это было не потому, что детектор не работал. Ученые спроектировали свой детектор так, чтобы он принимал только один тип нейтрино — электронные нейтрино, генерируемые в ядре Солнца. Они могли точно рассчитать, сколько электронных нейтрино должно быть обнаружено. Но в детекторе обнаружилось лишь около трети ожидаемых электронных нейтрино. В ходе последующих экспериментов ученые в конце концов узнали причину этой загадки: некоторые из электронных нейтрино превратились в один из двух других ароматов (мюон или тау) во время своего путешествия от Солнца. Поскольку детектор был слеп к этим двум другим вкусам, они, похоже, отсутствовали!

Открытие Дэвисом «дефицита солнечных нейтрино» поначалу вызвало большие споры. Это должно было быть проверено другими экспериментами. В других экспериментах использовались атмосферные нейтрино, реакторные нейтрино и ускорительные нейтрино. Во всех этих экспериментах ученые обнаружили, что ароматы нейтрино «исчезают» — превращаясь в другие ароматы на большом расстоянии.

Новый эксперимент DUNE в Соединенных Штатах и ​​эксперимент Hyper-Kamiokande в Японии раскроют больше деталей об изменении формы нейтрино и антинейтрино. Если ученые найдут разницу между преобразованием нейтрино и антинейтрино, это может решить одну из самых важных загадок Вселенной: почему Вселенная состоит только из материи, а не из антиматерии.

Ученые считают, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах во время Большого Взрыва . Равные количества этих двух противоположностей должны были уничтожить друг друга, оставив только свет! Итак, существование только материи сегодня является свидетельством того, что был небольшой избыток материи. Возможно, разница между нейтрино и антинейтрино вызвала этот небольшой избыток по мере расширения и охлаждения Вселенной. Если это правда, мы должны благодарить нейтрино за ту вселенную, которая у нас есть сегодня, наполненную всеми видимыми вещами вокруг нас, включая камни, растения, животных и людей!

Глоссарий

Ядерные реакции : ↑ Ядерные реакции происходят, когда атомные ядра реагируют друг с другом, образуя другие ядра. На Солнце ядра водорода (протоны) объединяются, образуя ядра гелия и выделяя энергию — тепло и солнечный свет.

Радиоактивный распад : ↑ Ядра многих атомов нестабильны, и со временем они распадаются, высвобождая энергичные частицы, такие как альфа-, бета- и гамма-лучи. Этот процесс распада называется радиоактивным распадом.

Антиматерия : ↑ У каждого типа заряженной частицы материи есть противоположно заряженная копия. Эти одинаковые, но противоположно заряженные частицы и есть антивещество (или античастицы). Например, антивещественный аналог мюона (отрицательно заряженный) — это антимюон (положительно заряженный). У нейтрино нет заряда, но есть и античастицы; Понимание природы этих антинейтрино — одна из важнейших загадок физики.

Ароматы нейтрино : ↑ Нейтрино бывают трех видов или типов, названных в честь различных типов заряженных частиц, которые они производят при взаимодействии с обычным веществом. Три фундаментальные отрицательно заряженные частицы — это электрон, мюон и тау-частица. Они идентичны во всем, кроме того, что мюон в 200 раз тяжелее электрона, а тау в 3500 раз тяжелее.

Жидкий аргон : ↑ Аргон — инертный газ, составляющий один процент атмосферы Земли. Он становится жидким при температуре -186°C и имеет вид прозрачной воды. Это хорошо для обнаружения нейтрино, потому что ионизация сохраняется достаточно долго, чтобы ее можно было обнаружить.

Ионизация : ↑ Ионизация происходит, когда энергичные частицы выбивают электроны из атомов. В результате образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны.