За превращения загадочной частицы

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2015 года стали канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу».

Вообще история научных открытий полна самых настоящих драм, о которых подавляющее большинство людей не имеет никакого представления, но от этого не менее острых и часто оказавших огромное влияние на нашу жизнь. Все это – о нейтрино.

Из школьной физики известно, что атом похож на нашу Солнечную систему. Есть ядро, а вокруг него на орбитах находятся электроны. Их количество на внешних орбитах определяет валентность элемента и, соответственно, его химические свойства. Эту модель предложили в начале ХХ века английский физик Эрнст Резерфорд и датский ученый Нильс Бор. Часто ее так и называют – планетарная модель атома Резерфорда – Бора. Однако очень скоро стало ясно, что модель расходится с результатами экспериментов.

В физике того времени одна проблема даже получила название азотной катастрофы. Полный момент количества движения ядра в эксперименте отличался от теоретического значения по модели Резерфорда – Бора.

Вторая проблема — непрерывного спектра электронов в бета-распаде. В опытах при таком распаде энергии образующихся электронов изменялись непрерывно, в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).

Теоретически проблему решил австрийский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбингене. В нем он предположил, что при распаде вместе с электроном испускается еще и пока неизвестная частица — нейтрон — таким образом, что сумма энергий нейтрона и электрона остается постоянной.

Однако нейтрон Паули оказался не тем нейтроном, который в 1932 году открыл английский физик Джеймс Чедвик. Место так называемого нейтрона Паули определил итальянский физик Энрико Ферми — нобелевский лауреат 1938 года. Он дал новой частице название neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон. В теории Ферми описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.

В теории все выглядело красиво, однако возникла большая проблема экспериментально подтвердить существование нейтрино. Оказалось, что сделать это очень непросто. Настолько, что Паули считал, что не доживет до того дня, когда экспериментально будет подтверждено существование нейтрино.

Сложность в том, что частица практически не взаимодействует с веществом. Ферми даже считал, что нейтрино имеет нулевую массу, вроде частицы света фотона. Длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Один световой год — это расстояние, которое пробегает луч света за один год. Это примерно 9,5 триллиона км. При этом один световой час — примерно один миллион  км. Величину в сто световых лет даже трудно себе наглядно представить.

В каждый момент времени сквозь тело человека пролетают тысячи миллиардов нейтрино, но мы их не чувствуем и не видим. Часть нейтрино возникли еще в момент Большого взрыва при возникновении Вселенной, другие постоянно рождаются в результате разнообразных процессов, происходящих в космосе и на Земле, — от взрывов сверхновых и гибели крупных звезд до реакций, протекающих на атомных электростанциях. Даже внутри тела человека каждую секунду рождается около пяти тысяч нейтрино — это происходит при распаде изотопа калия.

В 1946 году тогда еще итальянский физик, работавший в Канаде, Бруно Понтекорво, опубликовал работу, признанную теперь классической. Он рассмотрел вопрос об экспериментальном обнаружении нейтрино и предложил метод его детектирования с помощью реакции превращения ядер хлора в ядра радиоактивного аргона.

В 1951 году Понтекорво тайно с семьей переехал в СССР из Англии, что дало основание считать (об этом писал, в частности, известный советский разведчик и диверсант Павел Судоплатов), что он работал на разведку СССР, и сообщал ей американские и британские атомные секреты.

В июне 1956 года два американских физика — Фредерик Райнес (нобелевский лауреат 1995 года) и Клайд Кован – экспериментально зафиксировали следы нейтрино. Это открытие окончательно доказало, что призрачная частица – нейтрино – реально существует.

Вопрос о природе нейтрино возник после экспериментов американского физика  Раймонда Дэвиса, основанных на хлор-аргонном методе Понтекорво. Механизм рождения их на Солнце давно был известен, термоядерные реакции и их выход, необходимый для того, чтобы Солнце излучало свет,   соответствовал уравнениям теории.

В то же время эксперимент показал, что на самом деле от Солнца приходит лишь примерно треть от количества предсказанных частиц. Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд — нобелевский лауреат 2002 года «за создание нейтринной астрономии». Объяснение кажущемуся парадоксу дал в своей пионерской работе в  1957 году Бруно Понтекорво. Он выдвинул предположение об осцилляциях  нейтрино.

Как оказалось, существует три вида нейтрино: электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном они входят в класс бесструктурных элементарных частиц. Осцилляции нейтрино означают взаимопревращения одного вида этих частиц в другие.

Дефицит нейтрино теоретически объяснялся появлением у нейтрино так называемой эффективной массы. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.

Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили экспериментально подтвердить теоретические положения, что нейтрино имеют массу.

Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.

Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, в которой находится тысяча тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысячи фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием, — тяжелым водородом с атомной массой равной 2. 

Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK,  — основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц. В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.

Комбинация результатов экспериментов канадской и японской лабораторий экспериментально установила, что нейтрино никуда не деваются по дороге от Солнца до Земли. Они просто меняют свой тип, другими словами, осциллируют. Масса нейтрино до сих пор в точности неизвестна, но существуют оценки, согласно которым общая масса всех нейтрино во Вселенной сравнима с общей массой всех видимых звезд. Нейтрино малы, но их огромное количество. Сегодня для этих масс установлены лишь верхние пределы, а вероятность осцилляции пропорциональна разности между квадратами масс каждого вида нейтрино.

Работы, отмеченные Нобелевской премией, имеют не только большое значение для фундаментальной науки. И это не простая игра ученых, причем весьма дорогостоящая. Нет такого раздела фундаментальной науки, который бы не имел практического значения. Самая абстрактная наука – математика, но теория графов и высшая алгебра позволили сделать прорывные открытия в генетике и начать разработку принципиально новых лекарств и методов лечения страшных болезней.

Так и физика нейтрино имеет самое настоящее практическое применение. В частности, детектирование нейтрино используется для слежения за работой ядерных реакторов. С какой мощностью они работают, какие изотопы в них образовались. Здесь физика переходит в политику, так как именно таким образом можно мониторить ядерное оружие и следить за его нераспространением.

Работы канадского и японского физиков имеют очень большое значение для формирования физической картины мира. Есть вероятность того, что придется в чем-то пересмотреть ее и перейти к более точной модели. Вполне возможно, что за этим последует новая физика.