Что такое нейтрино в физике
Почему так тяжело изучать нейтрино и что эта частица расскажет об истории Вселенной
Нейтрино является одной из самых распространенных частиц во Вселенной, при этом ее невероятно сложно обнаружить. Изучать нейтрино важно, потому что они содержат в себе информацию о явлениях и процессах, которые их порождают: это значит, что с помощью частицы можно узнать о происхождении Вселенной. Рассказываем обо всех тайнах, которые хранят в себе нейтрино.
Читайте «Хайтек» в
Что такое нейтрино?
Нейтрино — это сверхлегкие частицы, образующиеся в процессе ядерных реакций. Большинство из тех, что были обнаружены на Земле, исходят от Солнца, которое превращает водород в гелий. Но в 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые «нейтрино CNO». И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
До недавнего времени было вообще непонятно, есть ли у нее масса. В последние годы стало ясно, что есть, но очень маленькая. Ее точное значение неизвестно по сию пору, а имеющиеся оценки в общем сводятся к тому, что нейтрино примерно на 10 порядков легче протона. Примерно так же соотносится вес кузнечика (около 1 грамма) с водоизмещением современного атомного авианосца George Bush (около 100 тыс. тонн).
Частица не имеет или почти не имеет электрического заряда — эксперименты пока не дали однозначного ответа, а из всех фундаментальных физических взаимодействий достоверно участвует только в слабом и гравитационном.
Нейтрино подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они обычно перечисляются именно в таком порядке, и это не случайно: так отображается последовательность их открытия. Кроме этого, есть еще антинейтрино — это античастицы трех разных типов, соответствующих «обычным». Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это нейтринными осцилляциями, за их открытие присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года.
Нейтрино — результат ядерных (и термоядерных, мы далее не будем выделять их отдельно) реакций. Их, неуловимых, очень много. По подсчетам физиков-теоретиков, на каждый нуклон (то есть протон или нейтрон) во Вселенной приходится около 10 9 нейтрино. Тем не менее, мы совершенно его не замечаем: частицы проходят сквозь нас.
Как ученые ищут нейтрино?
Современные детекторы регистрируют не сами нейтрино — это пока невозможно. Объектом регистрации оказываются результаты взаимодействия частицы с веществом, заполняющим детектор. Его выбирают так, чтобы с ним реагировали нейтрино определенных, интересующих разработчиков, энергий. Поскольку энергия нейтрино зависит от механизма их образования, можно считать, что детектор рассчитан на частицы определенного происхождения.
Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник — Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 млрд солнечных нейтрино в секунду.
На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию).
После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).
Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит.
Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории — в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается — горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора — шахта в толще чистого известняка.
Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории — прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального — нет.
Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе.
Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу — регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.
Зачем мы вообще изучаем нейтрино?
Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы.
Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса
Эксперты сравнили поиск этих частиц с работой археологов, восстанавливающих доисторические артефакты с целью понять, какой жизнь была тогда. Лучшее понимание нейтрино может раскрыть тайны других элементов астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.
Эксперимент COHERENT Окриджской национальной лаборатории состоял из пяти детекторов частиц, предназначенных для непосредственного наблюдения высокоспецифического взаимодействия между нейтрино и ядрами атомов. В прошлом году эти ученые опубликовали исследование в Science о взаимодействии между двумя нейтрино, которое было выдвинуто в качестве гипотезы десятилетиями ранее, но никогда прежде не наблюдались.
Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий.
Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.
Изучение испускаемых Землей нейтрино может помочь нам хотя бы понять, сколько в земном веществе радиоактивных элементов и где они в основном находятся. По части последнего существуют разные версии, начиная от того, что уран с торием — атрибут нижней части земной коры, и кончая тем, что источники радиации в ходе формирования планеты «утонули» к ее центру, и там существует нечто вроде ядерного реактора, причем периодически действующего.
Накопившиеся продукты распада, когда их становится достаточно много, останавливают цепную реакцию. Потом в раскаленной среде они потихоньку диффундируют наверх (они легче), освобождая место для новых порций делящегося материала, после чего процесс запускается снова. Если это так, то подобная цикличность могла бы помочь в объяснении перемен магнитной полярности Земли и, надо думать, во многом другом.
Интересен также вопрос о доле ядерных реакций в общем тепловыделении Земли. Напомним, что земные недра суммарно выдают порядка 47 ТВт тепла в год, но ученые до сих пор смутно представляют себе, какая часть этой энергии приходится на радиогенное тепло, а какая — на остаточное тепло, выделившееся когда-то при гравитационной дифференциации земного вещества.
Чем это интересно для обычного человека?
Технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что любое вложение в эту сферу окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера.
Эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.
Как мы продвинулись в изучении нейтрино?
Накануне стало известно, что Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета разработали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.
В результате выяснилось, что в областях, где много нейтрино, обычно присутствуют массивные скопления галактик. Еще один важный вывод: нейтрино подавляет кластеризацию темной материи и галактик, а также изменяет температуру в зависимости от собственной массы.
Также стало известно, что Borexino, огромный подземный детектор частиц в Италии, уловил невиданный ранее тип нейтрино, исходящий от Солнца. Эти нейтрино подтверждают гипотезу 90-летней давности и дополняют наше представление о циклах синтеза Солнца и других звезд. В 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые нейтрино CNO. И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
Реакция CNO выделяет лишь крошечную часть от общего количества солнечной энергии, но у более массивных звезд она считается основной движущей силой термоядерного синтеза. Экспериментальное обнаружение нейтрино CNO означает, что ученые наконец получили связь между последними частями головоломки и могут расшифровать весь цикл солнечного термоядерного синтеза.
Подтверждение того, что CNO осуществляется в процессе термоядерной активности нашей звезды, где подобные реакции занимают не более 1%, укрепляет нашу уверенность в том, что мы точно понимаем, как работают звезды.
Франк Калаприс, главный исследователь Borexinо
Детекторы нейтрино предназначены для отслеживания тех редких случаев, когда эти «призрачные частицы» случайно сталкиваются с другими атомами. Обычно в таких устройствах используются огромные объемы детекторной жидкости или газа, которые испускают вспышку света при «ударе» нейтрино. Подобные эксперименты обычно проводятся внутри камеры глубоко под землей, вдали от помех и воздействия других космических лучей.
Команда потратила годы, регулируя температуру инструмента, чтобы замедлить движение жидкости внутри детектора, и сосредоточилась на сигналах, исходящих из центральной области контейнера. В феврале 2020 года команда наконец-то уловила искомый сигнал и потратила почти год на его расшифровку и на то, чтобы удостовериться в отсутствии ошибок.
Эти данные могут не только улучшить наше понимание цикла слияния звезд, но и помочь ученым выяснить, насколько «металлическими» являются Солнце и другие звезды.
Квантовый мир: как связаны стерильные нейтрино и темная материя?
Самые распространенные частицы природы, за исключением фотонов (частиц света) – это нейтрино. Они не имеют заряда и исходят от Солнца, а также от сверхновых и других космических событий. Более того, около триллиона нейтрино прямо сейчас проходят через вашу руку! Ученые выделяют несколько типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также надеются на существование четвертого типа – «стерильных нейтрино». Если они действительно существуют, то помогли бы разрешить несколько фундаментальных загадок в физике, например, почему нейтрино имеют массу, в то время как теории предсказывают, что массы у этих частиц быть не должно? Стерильные нейтрино также связывают с таинственный субстанцией, которая заполняет 85% наблюдаемой Вселенной – темной материей, пронизывающей космос. Наличие этих загадочных частиц предсказывали ранее проведенные эксперименты, но вот незадача: теория также предсказывает возможное существование не только «стерильных» нейтрино, но и множества других, дополнительных частиц. Эти нейтрино могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил где-то на задворках Вселенной. Но обо всем по порядку.
Квантовый мир скрывает множество тайн, крохотную часть из которых мы пытаемся постичь
Из чего состоит все вокруг?
С точки зрения физики мы состоим из кварков и лептонов. Как объясняет в своем видео для Пост-Науки доктор физико-математических наук Данилов Михаил Владимирович, нейтроны состоят из u-кварков и d-кварков и составляют атомные ядра. Из атомных ядер и электронов образуются атомы, которые затем объединяются в молекулы, образуя абсолютно все, что мы видим вокруг себя.
Согласитесь, довольно простая картина. Электроны в атомах удерживаются за счет электромагнитного взаимодействия, а его переносчик – фотоны. Кварки внутри протона и нейтрона удерживаются за счет сильного взаимодействия, переносчиками которого появляются глюоны.
Бозон Хиггса многое изменил в мире элементарных частиц
За счет сильного взаимодействия протоны и нейтроны удерживаются в ядре атома, а слабое взаимодействие ответственно за переход нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Тут, однако, необходимо отметить, что у каждой частицы есть своя античастица, которая отличается от частицы отрицательным зарядом, – отмечает Данилов.
Но несмотря на столь элегантную и простую на первый взгляд картину, природа не так проста. И доказательством тому служит существование еще одного набора кварков и лептонов, которые физики называют поколениями. Интересно, что эти частицы тяжелее обыкновенных кварков и лептонов, но вокруг нас их нет. Они возникают лишь в редких случаях.
Итак, что мы в итоге знаем о Вселенной?
В природе существуют кварки и лептоны. Кварки принимают участие в сильном взаимодействии, лептоны – нет.
По сути, эти крошечные частицы – фундамент всего, что мы видим. Обнаруженный в 2012 году Бозон Хиггса, кажется, завершил картину, так как именно он дает массу всем остальным частицам Стандартной модели. Подробнее о том, что такое Стандартная модель и как физики дробят материю на атомы, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению.
Загадочные нейтрино
Но вернемся к нейтрино. В 1990-х годах во время экспериментов по изучению этих таинственных частиц произошло нечто странное: в детекторе появилось слишком много частиц. В 2002 году ученые начали еще один эксперимент, чтобы выяснить, что произошло. Это испытание также показало удивительные результаты — но по-другому.
Нейтрино – это загадочные квантовые частицы, которые имеют массу, но очень малы и их трудно измерить. Они удивительны, потому что масса, которую они содержат, не учитывается в Стандартной модели, описывающей субатомный мир.
Эти избыточные частицы в ранних экспериментах взволновали ученых. Дело в том, что они выглядели как возможные признаки существования так называемых «стерильных нейтрино», мешающих нормальным нейтринным ароматам (как их поэтично называют физики): стерильные нейтрино взаимодействовали бы с другими частицами только с помощью гравитации, тогда как известные три аромата нейтрино – с помощью слабого взаимодействия.
Физики поэтично называют разные типа кварков ароматами
И все же они могут оказывать влияние на другие нейтрино из-за странного свойства, которым обладают все эти частицы: способности «колебаться» или менять аромат. Частица, например, электронное нейтрино, может превратиться в тау или мюонное нейтрино, и наоборот. Обычно это преобразование происходит, когда нейтрино преодолевают определенное расстояние, но, похоже, оно происходит быстрее в других экспериментах.
Однако в 2013 году существование стерильных нейтрино было поставлено под сомнение, поскольку исследования, проведенные в Институте Макса Планка в Германии по ранней вселенной, не обнаружили их следов, как, например, объясняет в этой связи журнал Quanta.
С тех пор появились предположения о возможности существования не одного стерильного, а множества дополнительных нейтрино, которые могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил в месте во Вселенной, которое мы до сих пор не знаем.
В поисках стерильного нейтрино
Детектор нейтрино LSND, расположенный в Национальной лаборатории Лос-Аламоса и мини-ускоритель нейтрино MiniBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) позволили исследователям прийти к удивительным выводам.
Более двадцати лет физики ищут таинственное стерильное нейтрино
Интересный факт
Ранее считалось, что мюонные нейтрино могут превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино – этот процесс может происходить быстрее, чем простое переключение мюонного аромата на электронный.
В своих экспериментах физики генерируют поток мюонных нейтрино и направляют их на детектор, расположенный на расстоянии 470 метров. Детектор – гигантский резервуар, заполненный 170 метрическими тоннами чистого жидкого аргона – ждет, чтобы поймать нейтрино в момент столкновения с ядром одного из атомов аргона. Такие столкновения крайне редки, и единственными их признаками являются вторичные частицы, образующиеся в результате взаимодействия.
Как пишет Scientific American, ученые объявили о результатах, полученных с помощью детектора MicroBooNE 27 октября, заявив, что не увидели никаких признаков, свидетельствующих о наличии дополнительных частиц.
Да, это немного странно, – говорит представитель MicroBooNE Бонни Флеминг из Йельского университета. «В более ранних экспериментах наблюдались дополнительные частицы, похожие на электроны или фотоны», – отмечает он.
Детектор элементарных частиц MicroBooNE
Однако MicroBooNE может гораздо точнее определить направление движения частиц и энергию, которую выделяют частицы. Это означает, что физики могут решить, является ли что-то электроном или фотоном. Настоящий триумф эксперимента заключается в том, что технология работает настолько хорошо.
Тем не менее, исследователи практически уверены в том, что там, где они искали, нет лишних электронов или фотонов, что ослабляет надежды на обнаружение стерильных нейтрино. Если бы мюонные нейтрино могли быстро превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино, электроны появились бы в детекторе.
Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино
Но если нет лишних электронов или фотонов, то что это за избыточные частицы, которые были зарегистрированы LSND и MiniBooNE? Один из вариантов ответа заключается в том, что необъяснимые столкновения нейтрино на самом деле не происходили ни в одном из предыдущих экспериментов и что в случае с MiniBooNE исследователи просто пропустили некоторые помехи внутри детектора в ходе эксперимента.
Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино.
Другие соглашаются. «Очень маловероятно, что в детекторе произошла какая-то ошибка», – рассказал журналистам физик-теоретик Северо-Западного университета Андре де Гувеа. Должен быть новый источник либо электронов, либо фотонов, либо чего-то похожего на электроны или фотоны. Возможно, говорит он, происходит что-то более сложное.
Эти частицы могут распадаться на другие — например, на обычное нейтрино и нечто экзотическое, например «темный фотон» (двоюродный брат обычных фотонов, физики предполагают его существование, однако никаких доказательств их существования на сегодняшний день нет).
Причем здесь темная материя?
И все же, стерильные нейтрино остаются привлекательной перспективой для физиков. Они, вероятно, являются побочным продуктом теорий, пытающихся объяснить, почему нейтрино вообще имеют массу. Более того, эти таинственные частицы могут помочь объяснить, что такое темная материя.
Дело в том, что некоторые виды стерильных нейтрино сами могут быть кандидатами на темную материю, или же быть частью «темного сектора», в котором частица темной материи оказывается связана со стерильными нейтрино или распадается на них. И выяснение того, что происходит в этих экспериментах с нейтрино, может стать первым шагом к ответу на эти более масштабные вопросы.
Это действительно интересно, потому что все очевидные возможности уже проверены, – считают исследователи.
Так как темная материя не вступает в электромагнитное взаимодействие с фотонами света, наблюдать ее непосредственно невозможно
Как предложил Джанет Конрад, физик из Массачусетского технологического института (MIT), и Карлос Аргуэльес-Дельгадо, физик из Гарвардского университета, стерильные нейтрино могут распадаться на набор невидимых частиц: они подтвердили бы существование темного сектора, выведенного в качестве альтернативы невозможности обнаружения «неповрежденных» стерильных нейтрино.
Напомню, что темная материя не состоит из обычных частиц, таких как электроны, протоны или электроны, поэтому считается, что она должна состоять из частицы, не распознаваемой Стандартной моделью.
Исторически стерильные нейтрино были кандидатами для объяснения состава темной материи, поэтому проверка того, что они доминируют в темном секторе с помощью невидимых частиц, которые являются их прямыми потомками, также объяснило бы, почему Вселенная находится в постоянном расширении.
Возможно, ученые вскоре обнаружит нечто такое, что навсегда изменит современную физику
Словом, хорошо то, что у нас есть инструменты для дальнейшего изучения этого вопроса так что, надеемся, что ученые докопаются до сути. Поиск стерильных нейтрино продолжается, следите за новостями и подписывайтесь на наш канал в Telegram, так вы точно не пропустите ничего интересного!
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Одним из самых странных аспектов квантовой механики является запутанность, поскольку две запутанных частицы влияют друг на друга через огромные дистанции, чт…
В CERNе впервые охладили антиматерию лазером, это позволит проверить основы современной физики 🧠
В последующие века, после того как древние греки первыми их вывели, парадоксы процветали во всех слоях общества, радуя и приводя в бешенство миллионы людей. …
С чего начиналась нейтринная физика
Так начиналась история совершенно новой области в физике, которая принесла больше Нобелевских премий, чем любая другая.
«Неправильные» электроны
В самом конце 19 века, когда физики уже всерьез опасались, что все возможные законы уже открыты и профессия теряет актуальность, Беккерель открыл эффект радиоактивности, начав новую эпоху в физике. В процессе изучения этот эффект разделили на три типа: альфа, бета и гамма излучение. Первый представлял из себя поток ядер гелия, второй — поток электронов и третий — поток фотонов. Сама радиоактивность представлялась как переход атома из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, а разница точно равнялась энергии вылетевшей частицы.
Все было хорошо до тех пор, пока Джеймс Чедвик в 1914 году не померил энергии электронов, образующихся в результате бета-распада. Вместо нескольких четких линий, как это было для всех других типов радиации, он наблюдал непрерывный спектр.
Это заставило научное сообщество надолго задуматься и пересматривать самые основы физики. Эйнштейн, посещая лабораторию Чедвика, признался, что у него нет идей, как объяснить подобное поведение, Дебай писал по этому поводу: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Сам Нильс Бор покусился на святая святых — закон сохранения энергии. В течении нескольких лет он был уверен, что этот закон в микромире нарушается и разрабатывал соответствующую теорию.
Появление идеи о «нерегистрируемой» частице
Спустя почти 20 лет в 1930 году Паули высказал предположение о том, что может существовать легкая электрически нейтральная частица, которая и уносит недостающую энергию. Он назвал эту частицу нейтрон. Он сформировал свое предложение в письме к Тюбингемскому научному конгрессу (под катом). Примечательны обращения «Dear radioactive ladies and gentlemen», «dear radioactives», а так же причина, по которой сам мистер Паули не явился на конгресс. У него ночью намечался бал. Дамы не будут ждать, пока ты тут новую частицу открываешь.
Но в 1932 году уже упоминавшийся Джеймс Чедвик открыл нейтральную частицу с массой близкой к массе протона и для созвучия назвал ее нейтроном. Чтобы избежать путаницы, гипотетической частице Паули было присвоено название «нейтрино» (дословно «нейтрончик»). Сам Паули говорил, что допустил непростительную для теоретика ошибку: предложил принципиально нерегистрируемую частицу. И даже спорил с коллегой астрономом на бутылку шампанского, что при их жизни его гипотезу не подтвердят. Забегая вперед, скажу, что Паули спор проиграл. За два года до его смерти удалось пронаблюдать сигнал непосредственно от нейтрино.
Весьма примечательно, что спустя больше 30 лет наблюдения природа радиоактивности не была толком известна. Процесс представлялся следующим образом: в ядре атома что-то там происходит, заряд увеличивается на единицу, масса сохраняется и вылетает электрон. Именно поэтому сам нейтрон был открыт спустя только десятилетия после наблюдения его распада. В 1934 Энрико Ферми впервые создает стройную теорию бета-распада. Он использует гипотезу Паули о существовании нейтрино. Теперь процесс представляется следующим образом:
Теория блестяще совпадала с экспериментом за одним маленьким недостатком. Никаких свидетельств о существовании нейтрино пока не было.
Косвенные свидетельства существования «полтергейста»
Начались поиски неведомой частицы. Теория Ферми давала очень хорошие подсказки, как такую частицу искать. Реакцию бета распада можно было «прокручивать» в разные стороны, в частности рассматривать захват анти-нейтрино протоном с образованием позитрона и нейтрона.
Посчитать вероятность такого события было несложно, но результат сильно озадачил физиков. Для того, чтобы взаимодействие точно произошло, нейтрино должно пройти в свинце расстояние в 10 миллионов раз превышающее расстояние от Солнца до Земли. Это заставило ученых надолго отступиться от поисков нейтринных взаимодействий и пытаться искать косвенные доказательства.
Первые косвенные свидетельства были получены уже в 1936 году Александром Ильичом Лейпунским. Он предложил, и вскоре сам осуществил исследования реакции распада изотопа углерода:
Начальный атом углерода покоится, поэтому если нейтрино не существует, то суммарный импульс атома бора и позитрона должен быть нулевым. Поскольку интересующие частицы несут заряд, то измерение их импульсов не составило труда. Эксперимент показал, что разлет атома бора и позитрона не скомпенсирован, а значит некая частица, как и ожидалось, уносит импульс.
Второй вариант опыта был предложен в 1938 Алихановым и Алиханьяном и осуществлен в 1942 Алленом. Идея была в том, чтобы изучать электронный захват в атоме бериллия:
Электрон с нижней орбитали с некоторой вероятностью находится в самом ядре и может прореагировать с протоном, образовав нейтрино. Изначально атом покоится, а если из него вдруг вылетит частица, то получившийся атом лития должен отлететь в другую сторону. Опыт в очередной раз продемонстрировал существование таинственной частицы
Таким образом были получены убедительные доказательства существования нейтрино, но непосредственное обнаружение частицы еще долго оставалось нерешенной и весьма волнующей задачей.
Проект «Полтергейст» или невзорвавшаяся бомба
Но первоначальной схеме не суждено было быть реализованной. Исследуя возможности понизить фон от пролетающих нейтронов, гамма-квантов и других проникающих лучей, команда решает в искомой реакции
регистрировать не только позитроны, но и нейтроны. Для этого в детектор планировали добавить кадмий, который будет захватывать нейтроны и высвечивать фотоны, которые уже очень легко регистрировать.
После разработки концепта ученые принялись за конструирование и тестирование детектора. На тот момент это была революционная установка. Тогда «большим» считался объем детектора в литр, здесь же планировалась использовать кубометр мишени, окруженный 90 фотоумножителями. Для сравнения, современные эксперименты, например Супер-Камиоканде, имеет объем 50 000 кубометров и просматриваются 13 000 ФЭУ. Планируемый Гипер-Камиоканде — в 20 раз больше и использует 100 000 ФЭУ.
Первый результат
В 1953 году начался сеанс набора данных на реакторе в Хенфорде. Фоновые процессы от вылетающих из реактора других частиц причиняли команде много хлопот. Приходилось постоянно ворочать сотни тонн свинца, дорабатывать барахлящее оборудование, электронику, дающую ложные срабатывания и проч. Команда работала с полной отдачей, надеясь на прорывной результат. Но несмотря на все старания фон от космических лучей и электроники был слишком велик. Статистика, набранная при включенном и выключенном реакторе, давала намек на то, что нейтринные взаимодействия действительно происходили, но определенности не было никакой. Тем не менее группа ученых, вдохновленная первым результатом, принялась модернизировать детектор для дальнейшей работы.
Вторым этапом исследований стали наблюдения на реакторе в Саванна Ривере. Новый детектор состоял из двух баков с водой и трех баллонов, заполненных жидким сцинтиллятором, веществом, которое светится при прохождении сквозь него излучения.
Принцип остался прежний — искать совпадения от двух сигналов: аннигиляции позитрона и захвата нейтрона. Выбор реактора в Саванна Ривере был обусловлен тем, что это был новый более мощный реактор и вдобавок здесь имелось подземное экранированное помещение, существенно уменьшающее влияние космического излучения. Результат не заставил себя долго ждать, уже спустя несколько месяцев, в июне 1956 года после многочисленных проверок были получены неопровержимые свидетельства нейтринных взаимодействий. Дверь в новую физику была открыта!
Райнес и Коуэн незамедлительно телеграфируют Паули о своем открытии.
Получив такую телеграмму, Паули прервал заседание в ЦЕРНе для того, чтобы зачитать собравшимся столь важную новость. А после, в честь этого открытия, Вольфганг с друзьями распили ящик шампанского. Много лет спустя стал известен текст так никогда и не отправленного ответа:
Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули
Итоги и дальнейшие работы
Независимое подтверждение такого результата было получено только спустя 8 лет в ускорительном эксперименте. А повторение реакторного эксперимента было осуществлено только через 20 лет. Несмотря на высокую оценку научного сообщества премии не спешили сыпаться на головы первооткрывателей самой слабовзаимодействующей частицы. Ирония заключалась даже в том, что в 1988 году Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию за открытие нового типа нейтрино — мюонного, за само же фундаментальное открытие нейтрино премия была выдана только в 1995 и только Райнесу. Коуэн до этого момента не дожил.
Райнес впоследствии продолжил свои исследования, измерял вероятность взаимодействия нейтрино с электроном, с дейтроном; впервые зарегистрировал «природные» нейтрино, рождающиеся в атмосфере, заложил многие основы этого раздела физики.
Впереди было еще много удивительнейших открытий: регистрация новых сортов нейтрино, открытие спиральности нейтрино, разделение нейтрино и антинейтрино, наблюдение осцилляций, регистрации нейтрино от вспышки сверхновой, поиски CP-нарушения. Впервые астрофизики смогли наблюдать Вселенную не через наблюдение электромагнитных волн именно с помощью нейтрино. Огромное количество мощнейших детекторов было построено и продолжает строиться для исследования этой неуловимой частицы
В заключении хочу сказать, что нейтрино есть в каждом из нас и в большом количестве! Каждую секунду через квадратный сантиметр на Земле проходит около 100 миллиардов таких частиц.