Наука и Техника

Наука И Техника
8 октября 2015

За что дали «нобелевку» по физике в этом году: нейтринные осцилляции

Во вторник Нобелевский комитет объявил двух ученых, Такааки Каджита из Японии и Артура Макдональда из Канады, лауреатами Нобелевской премии по физике за их эксперименты с обнаружением нейтрино. Каджита и Макдональд руководили двумя группами (в обсерваториях на противоположных концах планеты) в поиске неуловимых частиц нейтрино и решении старой проблемы в физике частиц.

Макдональд, профессор Королевского университета в Кингстоне, сказал, что получить Нобелевскую премию было «очень непросто». «К счастью, — добавил он, — у меня есть много коллег, которые разделят этот приз со мной. Они проделали огромное количество работы, чтобы выполнить эти измерения».

Каджита, профессор Токийского университета, сказал, что получить приз «было своего рода невероятно». «Я думаю, важность в том, что — и это точно — за пределами Стандартной модели имеется физика», — добавил он.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — это небольшие элементарные частицы, которые образуются внутри ядерных реакций, вроде реакций синтеза внутри Солнца или реакций деления на наших атомных электростанциях. Эти частицы независимы от гравитации или электромагнетизма, что делает их «слабо взаимодействующими» частицами. Несмотря на то, что ежесекундно Солнце испускает триллионы нейтрино, миллиарды из которых достигают Земли, почти все проходят через планету, ничего не задевая.

Поскольку нейтрино проходят почти через все, обнаружить их довольно сложно. Глубоко под землей построены гигантские детекторы частиц, которые смогут избегать помех от космических лучей, образующихся в атмосфере. Эти детекторы состоят из нескольких больших резервуаров воды, датчики которых постоянно ждут хотя бы одного взаимодействия с нейтрино. Есть надежда, что из миллиардов нейтрино, которые проходят через водяные резевруары, хотя бы парочка столкнется с ядром атома воды и произведет достаточно радиации, чтобы ее мог уловить датчик.

Проблема солнечных нейтрино
Нейтрино бывают трех видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Электронные нейтрино наиболее распространены, они производятся в центре Солнца. Поскольку мы знаем степень реакций синтеза Солнца, мы можем оценить количество электронных нейтрино, которое Солнца производит ежесекундно.

Но когда мы сравниваем эту оценку с нашими нейтринными измерениями на Земле, мы заходим в тупик. Число солнечных нейтрино, обнаруженных на Земле, в три раза меньше того, что должно быть, и долгое время ученые были в недоумении.

Возможный ответ появился в конце 90-х годов, когда несколько ученых предположили, что проблемы вытекает из нейтринных осцилляций, процесса, в ходе которого один тип нейтрино вроде электронного спонтанно трансформируется в другой тип, мюонное или тау. Наши детекторы солнечных нейтрино на Земле настроены только на обнаружение электронных нейтрино, поэтому если две трети солнечных нейтрино преобразуются по дороге к нам, мы будем обнаруживать лишь небольшую их часть.

В 1998 году команда под руководством Каджита на детекторе Супер-Камиоканде получила первые конкретные доказательства осцилляций нейтрино. Ученые измерили количество мюонных нейтрино, образующихся в атмосфере, как над детектором, так и приходящим с противоположного конца Земли. Группа обнаружила, что детектор ловит значительно меньше нейтрино, проходящих через Землю, через тысячи километров от него, чем тех, что появляются над ним. Это показывает, что по пути множество мюонных нейтрино исчезают, и лучшим объяснением будет осцилляция нейтрино.

Заключительное доказательство пришло из нейтринной обсерватории Садбери, где работал Макдональд, которая была первым детектором солнечных нейтрино, способным обнаруживать мюонные и тау-нейтрино, в дополнение к электронным нейтрино. Команда Садбери быстро обнаружила доказательства существования двух других типов, подтвердив, что нейтрино от Солнца действительно трансформируются по дороге сюда.

Короче говоря, этот результат укрепил идею нейтринных осцилляций в физическом сообществе.

Нобелевская премия этого года довела общее число физиков-лауреатов до 201. В понедельник Нобелевский комитет объявил о присуждении Нобелевской премии в области физиологии или медицины Уильяму Кэмпбеллу и Сатоши Омура за их работу над лекарствами для борьбы с паразитами.