Не только детекторы

Нейтрино — это совокупное название группы легчайших элементарных частиц, относящихся к фермионам. Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году, а экспериментально подтверждено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. При этом Паули лишь неформально, в виде чистой гипотезы, предположил, что «имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона». Таким образом он пытался объяснить наблюдаемую природу бета-распада. Он назвал такую неоткрытую частицу «нейтроном». Только через два года, в 1932, Джеймс Чедвик открыл в атоме крупную элементарную частицу, сравнимую по массе с протоном, и назвал ее «нейтрон», а неуловимый фермион Паули впоследствии удостоился названия «нейтрино» (нейтрончик) с легкой руки Энрико Ферми.

С тех самых пор нейтрино окружены ореолом загадочности в силу своих поразительных свойств. Они всерьез и надолго обосновались в научной фантастике – так, Кельвин, главный герой «Соляриса», предполагает, что именно из нейтрино разумный океан формировал своих фантомов, в том числе, фантом Хари, возлюбленной Кельвина. Вкратце напомню основные уникальные и парадоксальные аспекты нейтрино:

Долгое время продолжалась дискуссия о том, обладают ли нейтрино массой. При наличии массы у этих частиц они не вписываются в Стандартную модель физики частиц. Соответственно, это означает, что физика не ограничивается Стандартной Моделью, а за пределами Стандартной Модели существует еще и Новая Физика, изучение которой начнется с нейтрино. Сегодня известно, что нейтрино имеют ненулевую массу, примерно в шесть миллионов раз меньше, чем у электрона.

Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом – именно поэтому Паули и допускал, что они никогда не будут открыты. Поэтому детекторы нейтрино, которые иногда называют «нейтринными обсерваториями» устанавливаются глубоко в толще воды, льда, горных пород. Такая толща служит уловителем практически для всех прочих элементарных частиц, поэтому высока вероятность зафиксировать в детекторе именно нейтрино, как солнечные, так и астрофизические, возникающие, например, при взрывах сверхновых.

Как и у всех частиц, у нейтрино существует своя античастица — антинейтрино. Отличия свойств нейтрино и антинейтрино помогают пролить свет на отличия вещества и антивещества в целом и, возможно, позволят выяснить, почему во Вселенной существует колоссальная асимметрия между количеством вещества и антивещества, куда подевалось почти все антивещество – ведь, теоретически, после Большого Взрыва они должны были образоваться в равных количествах.

С этими и другими темами мне довелось познакомиться подробно и достаточно давно. В 2014-2015 году я работал переводчиком в издательстве «Альпина Нон-Фикшн», и в этот период, в первые несколько месяцев 2015 года, перевел книгу Рэя Джаявардханы «Охотники за нейтрино». На тот момент мне казалось, что эта тема слишком академична и сложна для широкой читательской аудитории, но книга оказалась настолько интересной, а я так надолго увлекся этой темой, «когда она еще не была мейнстримом», что возвращаюсь к ней до сих пор. Разброс рассматриваемых тем, связанных с нейтрино, впрочем, меняется слабо. Пишут о новых детекторах, все более точных измерениях массы и скорости нейтрино, о космологической ценности этих исследований. Не буду здесь углубляться в эти аспекты, поскольку они хорошо и подробно рассмотрены на русском языке (и при этом богато иллюстрированы). Но позволю себе привести список статей с Хабра, которые вышли уже после книги Джаявардханы и кажутся мне наиболее интересными:

Читать еще:  Инструмент DESI начинает картирование Вселенной в поисках темной энергии

BAIKAL-GVD. Охотники за нейтрино (2.02.2020). Пост автора @DNLP о кластере глубоководных детекторов нейтрино, устанавливаемых в озере Байкал. Отличный материал с большим количеством видео и техническими деталями. На самом деле, идея использовать Байкал в качестве естественного водного резервуара гениальна, а географическое расположение детектора позволяет в большом количестве отлавливать нейтрино, прилетающие к нам со стороны Южного полюса. Аналогичный, совсем свежий материал недавно вышел на сайте «Медузы».

«Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино» (24.09.2019). Автор – @Bars21. Подробный разбор парадокса #3 из вышеприведенного списка.

«Поймай меня, если сможешь: радиоволны, каскад частиц и лед для поимки нейтрино» (11.03.2020) Пост автора @Dmytro_Kikot, дающий представление о подледном лове нейтрино.

«Как неудавшийся ядерный эксперимент случайно породил нейтринную астрономию» (15.07.2018) – перевод с английского от редактора Хабра @SLY_G. Действительно, в тематических источниках зачастую умалчивается, что знаменитые нейтринные детекторы в шахтах Камиока в Японии (Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande) были оборудованы на месте совершенно другого физического мега-эксперимента, не увенчавшегося успехом, и переориентация этого комплекса на изучение нейтрино – во многом счастливая случайность.

Итак, завершая такое пространное вступление, я перейду к сути этой статьи. При всей важности нейтрино в качестве диагностического инструмента в теоретической физике, ядерной физике, космологии и астрономии, для этих неуловимых частиц уверенно просматриваются возможности практического применения. Именно о них пойдет речь в оставшейся, наиболее интересной части статьи.

Загадка похищенной энергии

Александр Нозик

Историю изучения нейтрино можно читать как увлекательный детектив. Эта частица не раз испытывала дедуктивные способности ученых: не каждую из загадок удавалось решить сразу, а часть не раскрыта до сих пор. Начать хотя бы с истории открытия. Радиоактивные распады разного рода начали изучать еще в конце XIX века, и неудивительно, что в 1920-х годах ученые имели в своем арсенале приборы не только для регистрации самого распада, но и для измерения энергии вылетающих частиц, пусть и не особо точного по сегодняшним меркам. С увеличением точности приборов росла и радость ученых, и недоумение, связанное в том числе с , при котором из радиоактивного ядра вылетает электрон, а само ядро изменяет свой заряд. Такой распад называют двухчастичным, поскольку в нем образуются две частицы — новое ядро и электрон. Любой старшеклассник объяснит, что можно точно определить в таком распаде энергию и импульсы осколков, используя законы сохранения и зная массы этих осколков. Другими словами, энергия, например, электрона всегда будет одной и той же в любом распаде ядра определенного элемента. На практике же наблюдалась совсем другая картина. Энергия электронов не только не была фиксированной, но и размазывалась в непрерывный спектр до самого нуля, что ставило ученых в тупик. Такое может быть только в случае, если кто-то крадет энергию из . Но ее вроде бы некому.

Читать еще:  Лунный календарь стрижек на 27 декабрь 2021 года

Со временем приборы становились все точнее, и вскоре возможность списать подобную аномалию на погрешность аппаратуры пропала. Так появилась загадка. В поисках ее разгадки ученые высказывали разнообразные, даже совершенно абсурдные по нынешним меркам предположения. Сам Нильс Бор, например, делал серьезное заявление, что законы сохранения не действуют в мире элементарных частиц. Спас положение Вольфганг Паули в 1930 году. Он не смог приехать на конференцию физиков в Тюбингене и, не имея возможности участвовать дистанционно, прислал письмо, которое попросил зачитать. Вот выдержки из него:

Вольфганг Паули

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна…»

В финале письма были следующие строки:

«Не рисковать — не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного Β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Позже сам Паули высказывал опасения, что, хотя его идея и спасает физику микромира, новая частица так никогда и не будет открыта экспериментально. Говорят, он даже спорил со своими коллегами, что, если частица есть, обнаружить ее при их жизни не удастся. В последующие несколько лет Энрико Ферми создал теорию бета-распада с участием частицы, названной им нейтрино, которая блестящим образом согласовалась с экспериментом. После этого ни у кого не осталось сомнений в том, что гипотетическая частица существует на самом деле. В 1956 году, за два года до смерти Паули, нейтрино было экспериментально обнаружено в обратном бета-распаде группой Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (Райнес получил за это Нобелевскую премию).

История открытия

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов ХХ века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β -распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть, спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Н. Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии! Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

Читать еще:  Лунный календарь стрижек на 18 апрель 2022 года

— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».

Впоследствии нейтроном была названа, как оказалось, другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах 1933—1934 итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино».

На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β -распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.

Новые типы нейтрино?

В 2011 году исследователи из проекта Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparature (OPERA) в Италии сотворили всемирную сенсацию. Они объявили, что обнаружили нейтрино, движущиеся быстрее скорости света. Что в корне противоречит постулатам современной физики. Несмотря на широкое освещение этих результатов в средствах массовой информации, они были встречены научным сообществом с большим скептицизмом. Менее чем через год физики поняли, что неисправная проводка имитировала полученные сверхсветовые скорости. И нейтрино вернулись в область законопослушных частиц.

Ученым, конечно, еще многое предстоит узнать об этих странных частицах. Недавно исследователи из эксперимента Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили новый тип нейтрино. Они назвали его «стерильным» нейтрино. Такая находка подтверждает более раннюю аномалию, наблюдавшуюся в нейтринном детекторе жидких сцинтилляторов (LSND), эксперименте в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в Нью-Мексико. Стерильные нейтрино перевернули бы всю известную физику, потому что они не вписываются в то, что известно как стандартная модель. Она объясняет свойства почти всех известных частиц и сил, кроме гравитации.

В мире физики ничего не застыло и не стоит на месте. Иногда кажется, что со времен Эйнштейна не было придумано ничего нового. Но это не так. Наука постоянно двигается вперед. Кто знает, может быть именно нейтрино и их загадочные свойства помогут нам когда-нибудь достичь звезд…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Интересные факты о нейтрино

  • В 2011-м году, в эксперименте нейтринных осцилляций ЦЕРНа, было обнаружено, что частицы, пролетевшие сквозь Землю из Швеции в Италию, вероятно, превысили скорость света на 0,00248 %.

27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Это вызвало серьезный переполох в научном сообществе. Но сенсация быстро была опровергнута самим же ЦЕРНом, когда стало известно, что «плохо вставленный разъем оптического кабеля» привел к неточному подсчету времени полета.

  • Ежесекундно сквозь человеческое тело пролетает 10 14 нейтрино, и это только те, что излучаются Солнцем.
  • Как и большинство нейтринных детекторов, Super-Kamiokande располагается в цинковой шахте под землей, на глубине в 1000 метров. Герметичное помещение лаборатории представляется в виде цилиндра с диаметров 40 м. и высотой 42 м, сконструированное из нержавеющей стали и заполненное очищенной водой – 50 000 тонн. На его стенах располагается 11 тыс. фотоэлектронных умножителей– грибоподобных приборов для повышения чувствительности детектора. Система очень восприимчива к свету и обрабатывает каждый квант, проходящий сквозь нее.
  • Похожие статьи

    Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

    Ссылка на основную публикацию
    Статьи на тему:

    Adblock
    detector