За перетворення загадкової частинки

Лауреатами Нобелівської премії з фізики 2015 року стали канадець Артур Макдоналд і японець Такаакі Кадзіта «за відкриття нейтринних осциляцій, що показують, що нейтрино мають масу».

Взагалі історія наукових відкриттів сповнена справжнісіньких драм, про які переважна більшість людей не має жодної вистави, але від цього не менш гострих і таких, що часто зробили величезний вплив на наше життя. Все це про нейтрино.

Зі шкільної фізики відомо, що атом схожий на нашу сонячну систему. Є ядро, а довкола нього на орбітах знаходяться електрони. Їхня кількість на зовнішніх орбітах визначає валентність елемента і відповідно його хімічні властивості. Цю модель запропонували на початку ХХ століття англійський фізик Ернст Резерфорд і данський вчений Нільс Бор. Часто її так і називають - планетарна модель атома Резерфорда – Бора. Проте дуже скоро стало зрозуміло, що модель розходиться з результатами експериментів.

У фізиці того часу одна проблема навіть отримала назву азотної катастрофи. Повний момент кількості руху ядра в експерименті відрізнявся від теоретичного значення за моделлю Резерфорда – Бора.

Друга проблема — безперервного спектра електронів у бета-розпаді. У дослідах при такому розпаді енергії електронів, що утворюються, змінювалися безперервно на відміну від, наприклад, дискретного (переривчастого) спектра альфа-частинок (ядер гелію-4).

Теоретично проблему розв’язав австрійський фізик Вольфганг Паулі. Він 1930 року написав листа учасникам конференції в місті Тюбінгені. У ньому він передбачив, що при розпаді разом із електроном випускається ще і доки невідома частинка — нейтрон — таким чином, що сума енергій нейтрона і електрона залишається постійною.

Проте нейтрон Паулі виявився не тим нейтроном, який 1932 року відкрив англійський фізик Джеймс Чедвік. Місце так званого нейтрона Паулі визначив італійський фізик Енріко Фермі — нобелівський лауреат 1938 року. Він дав новій частинці назву neutrino — нейтрончик, зменшувальне від neutrone, — нейтрон. У теорії Фермі описувалася взаємодія чотирьох частинок: протона, нейтрона, електрона і нейтрино. Нейтрино в теорії Фермі не міститься в атомному ядрі, як вважав Паулі, а вилітає з нього разом із електроном у результаті бета-розпаду.

У теорії все виглядало красиво, проте виникла велика проблема: експериментально підтвердити існування нейтрино. Виявилось, що зробити це дуже непросто. Настільки, що Паулі вважав, що не доживе до того дня, коли експериментально буде підтверджено існування нейтрино.

Складність полягала в тому, що частинка практично не взаємодіє з речовиною. Фермі навіть вважав, що нейтрино має нульову масу на зразок частинки світла фотона. Довжина вільного пробігу такої частинки у воді може досягати близько ста світлових років. Один світловий рік — це відстань, яку пробігає промінь світла за один рік. Це приблизно 9,5 трильйонів км. При цьому одна світлова година — це близько одного млн км. Величину в сто світлових років навіть важко собі наочно уявити .

У кожен момент часу крізь тіло людини пролітають тисячі мільярдів нейтрино, але ми їх не відчуваємо і не бачимо. Частина нейтрино виникла ще в момент Великого вибуху при виникненні Всесвіту, інші постійно народжуються в результаті всіляких процесів, що відбуваються в Космосі і на Землі, — від вибухів найновіших і загибелі великих зірок до реакцій, що протікають на атомних електростанціях. Навіть усередині тіла людини щосекунди народжується близько п’яти тисяч нейтрино — це відбувається при розпаді ізотопу калію.

Бруно Понтекорво, тоді ще італійський фізик, який працював у Канаді, 1946 року опублікував роботу, визнану тепер класичною. Він розглянув питання про експериментальне виявлення нейтрино і запропонував метод його детектування за допомогою реакції перетворення ядер хлору на ядра радіоактивного аргону.

1951 року Понтекорво таємно із родиною переїхав до СРСР з Англії, що дало підставу вважати, про це писав, зокрема, відомий радянський розвідник і диверсант Павло Судоплатов, що він працював на розвідку СРСР і повідомляв їй американські і британські атомні секрети.

У червні 1956 року два американських фізики — Фредерік Райнес (нобелівський лауреат 1995 року) і Клайд Кован експериментально зафіксували сліди нейтрино. Це відкриття остаточно довело, примарна частинка нейтрино реально існує.

Питання про природу нейтрино виникло після експериментів американського фізика Раймонда Девіса, заснованих на хлор-аргонному методі Понтекорво. Механізм народження їх на Сонці давно був відомий, термоядерні реакції і їхній вихід, потрібний для того, щоб Сонце випромінювало світло,   відповідали рівнянням теорії.

Водночас експеримент показав, що насправді від Сонця приходить тільки приблизно третина від кількості передбачених частинок. Вперше це спостерігав американський фізик Девіс Раймонд — нобелівський лауреат 2002 року «за створення астрономії нейтрино». Пояснення позірному парадоксу дав у своїй піонерській роботі 1957 року Бруно Понтекорво. Він висунув припущення про осциляції  нейтрино.

Як виявилось, існує три види нейтрино: електронне нейтрино (історично перший відкритий тип нейтрино), мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Разом із електроном вони належать до класу безструктурних елементарних частинок. Осциляції нейтрино означають взаємоперетворення одного виду цих частинок в інші.

Пояснення дефіциту нейтрино теоретично пояснювалося появою в нейтрино так званої ефективної маси. Якщо маси нейтрино дорівнюють нулю або збігаються, то такого процесу бути не повинно.

Відкриття Макдоналда і Кадзіти дозволили експериментально підтвердити теоретичні положення, що нейтрино мають масу.

Детектор обсерваторії нейтрино в Садбері SNO (Sudbury Neutrino Observatory), яким керує Артур Макдоналд, дозволив спостерігати осциляції сонячних нейтрино, а японський експеримент Super-Kamiokande дозволив виявити осциляції атмосферних нейтрино.

Для того, щоб зафіксувати нейтрино, необхідні надчутливі експериментальні установки, що відсікають інші фонові процеси, які можуть заважати реєстрації нейтрино.

Канадський детектор у Садбері міститься у нікелевій копальні, на глибині більше двох кілометрів. Він має вигляд сфери діаметром 12 метрів, в якій міститься тисяча тонн важкої води, оточеної сімома тисячами тонн звичайної води. У сфері на відстані близько півметра розташовано близько 9,5 тисяч фотоелектронних помножувачів, які реєструють продукти взаємодії нейтрино з дейтерієм — важким воднем з атомною масою, що дорівнює 2.

Детектор Super-Kamiokande використовує простір печери, розташованої в 250 кілометрах від KEK — основної японської організації з досліджень у фізиці елементарних частинок. У ній міститься резервуар з 50 тисячами тонн води і розміщеними в ній фотопомножувачами.

Комбінація результатів експериментів канадської і японської лабораторій експериментально встановлювала, що нейтрино нікуди не діваються дорогою від Сонця до Землі. Вони просто міняють свій тип, інакше кажучи, осцилюють. Маса нейтрино до цього часу в точності невідома, але існують оцінки, згідно з якими загальна маса всіх нейтрино у Всесвіті порівнянна із загальною масою всіх видимих зірок. Нейтрино малі, але їх величезна кількість. Сьогодні для цих мас встановлено тільки верхні межі, а вірогідність осциляції пропорційна різниці між квадратами мас кожного виду нейтрино.

Роботи, відмічені Нобелівською премією, мають не тільки велике значення для фундаментальної науки. І це не проста гра учених, причому вельми дорога. Немає такого розділу фундаментальної науки, який би не мав практичного значення. Найабстрактніша наука - математика, але теорія графів і вища алгебра дозволили зробити проривні відкриття у генетиці і почати розробку принципово нових ліків і методів лікування страшних хвороб.

Так і фізика нейтрино має справжнісіньке практичне значення. Зокрема детектування нейтрино використовується для стеження за роботою ядерних реакторів. З якою потужністю вони працюють, які ізотопи в них утворилися. Тут фізика переходить у політику, оскільки саме такий чином можна моніторити ядерну зброю і стежити за її нерозповсюдженням.

Роботи канадського і японського фізиків мають дуже велике значення для формування фізичної картини світу. Є вірогідність того, що доведеться в чомусь переглянути її і перейти до більш точної моделі. Цілком можливо, що за цим послідує нова фізика.