Чому за перетворення нейтрино присудили Нобелівську премію з фізики Наука та техніка
Нобелівську премію з фізики 2015 року отримають канадець Артур Макдоналд та японець Такаакі Кадзіта «за відкриття нейтринних осциляцій, що показують, що нейтрино мають масу». У існуванні ненульової маси у цієї частки фізики були певні останні кілька десятиліть, а рішення Шведської королівської академії наук остаточно поставило крапку у цьому питанні.
Історично нейтрино виникли у фізиці елементарних частинок понад 80 років тому під час пошуків вирішення двох завдань ядерної фізики: так званої азотної катастрофи та опису безперервного спектру електронів у бета-розпаді. Перша проблема пов'язана з тим, що вчені вважали вірною теорію Резерфорда, згідно з якою атом складається з протонів та електронів. Зокрема, фізики не знали про існування нейтрону та вважали, що ядро атома азоту складається виключно з протонів. Це призводило до того, що досвід і теорія давали різні значення спини ядра (його повного моменту кількості руху).
Матеріали на тему
Невловимі частки
Друга проблема — безперервного спектра електронів у бета-розпаді (цей розпад змінює заряд ядра на одиницю і призводить до випромінювання електрона або його античастинки — позитрону) — пов'язана з тим, що в дослідах з бета-розпаду енергії електронів, що утворюються, змінювалися безперервним чином на відміну від наприклад, дискретного (перервного) спектру альфа-часток (ядер гелію-4).
Дві проблеми не давали спокою фізикам, оскільки призводили до порушення законів збереження – імпульсу, моменту імпульсу та енергії. Деякі вчені, зокрема, данець Нільс Бор, навіть припустили, що настав час переглянути енергетичні основи фізики та відмовитися від законів збереження. На щастя, це не довелося робити.
Усіхзаспокоїв швейцарський фізик Вольфганг Паулі У 1930 році він написав листа учасникам конференції в місті Тюбінген. «Є можливість того, що в ядрах існують електрично нейтральні частинки, які я називатиму "нейтронами" і які володіють спином 1/2. Маса "нейтрону" по порядку величини має бути порівнянною з масою електрона і принаймні не більше 0,01 маси протона. Безперервний бета-спектр тоді став би зрозумілим, якщо припустити, що при розпаді разом з електроном випускається ще й "нейтрон" - таким чином, що сума енергій "нейтрона" та електрона залишається постійною», - повідомляв учений.
"Нейтрон" Паулі виявився не тим нейтроном, який експериментально відкрив у 1932 році британець Джеймс Чедвік, а теоретично припустили радянський фізик Дмитро Іваненко та німець Вернер Гейзенберг. Тим часом, 1933 року Паулі виступив на Сольвіївському конгресі в Брюсселі, де розповів подробиці своєї ідеї, що «врятувала» закон збереження енергії.
Нейтрино (італійське "маленький нейтрон") дав ім'я італійський фізик Енріко Фермі, який створив першу кількісну теорію бета-розпаду. У ній описувалося взаємодія чотирьох частинок: протона, нейтрона, електрона та нейтрино. Нейтрино теоретично Фермі не міститься в атомному ядрі, як вважав Паулі, а вилітає з нього разом із електроном у результаті бета-розпаду.
Фермі вважав нейтрино нейтральною частинкою легше електрона або навіть з масою, що дорівнює нулю. Однак його теорія була неперенормована (приводила до розбіжностей). Тільки після введення нових частинок — проміжних векторних бозонів — і створення електрослабкої теорії, що поєднує слабкі та електромагнітні взаємодії, всі властивості нейтрино набули несуперечливого теоретичного обґрунтування. З того часу саме нейтриностали основними маркерами слабкої взаємодії.
Починаючи з експериментального відкриття нейтрино в 1953-1956 роках американськими фізиками Фредеріком Райнесом і Клайдом Коеном (перший з них отримав за це Нобелівську премію 1995 року, другий до цього не дожив — помер 1974-го), учених хвилювало два. Перший - чи мають нейтрино масу і чи існують у них античастинки. Відкриття Макдоналда та Кадзіти дозволили ствердно відповісти на це запитання. Так, нейтрино мають багато.
Основний внесок у це відкриття зробили роботи Макдоналда і Кадзіті та очолюваних ними колективів. Детектор нейтринної обсерваторії в Садбері SNO (Sudbury Neutrino Observatory), якою керує Артур Макдоналд, дозволив спостерігати осциляцію сонячних нейтрино, а японський експеримент Super-Kamiokande дозволив виявити осциляцію атмосферних нейтрино.
Нейтрино дуже мало взаємодіє з речовиною: довжина вільного пробігу такої частки у воді може досягати близько ста світлових років. Щоб зафіксувати нейтрино, необхідні надчутливі експериментальні установки, що відсікають інші фонові процеси, які можуть заважати реєстрації нейтрино.
Канадський детектор у Садбері розміщується в нікелевій копальні, на глибині більше двох кілометрів. Він має вигляд сфери діаметром 12 метрів, що заповнена тисячею 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 (серед них протони, електрони і нейтрино).
Детектор Super-Kamiokande використовує простір печери, розташованої за 250 кілометрів від KEK (основної японської організації з досліджень у фізиці елементарних)частинок). У ній знаходиться резервуар із 50 тисячами тонн води та розміщеними в ній фотомножниками.
Під осциляціями нейтрино маються на увазі взаємоперетворення одного сорту цих частинок на інші. Усього існують три типи нейтрино (і, можливо, три типи відповідних античасток): електронне нейтрино (історично перший відкритий тип нейтрино), мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Разом з електроном, мюоном та таоном вони утворюють шість лептонів – клас безструктурних елементарних частинок. Адрони також вважаються елементарними частинками, проте складаються з кварків, які внаслідок явища асимптотичної свободи (невилітання) не можуть спостерігатися у вільному стані.
Проблема нейтринних осциляцій виникла з астрофізики — вчені спостерігали розбіжність між генерованим Сонцем кількістю електронних нейтрино і частинками, що досягають Землю (приблизно дві третини таких частинок не досягають планети у вихідному стані). Вперше це спостерігав американський фізик Девіс Раймонд (він отримав у 2002 році Нобелівську премію «за створення нейтринної астрономії») в експериментах із мішенню з тетрахлоретилену. Дефіцит нейтрино вчені спостерігали неодноразово, а пояснення цьому запропонували американець Лінкольн Вольфенштайн (1976 року) та радянські фізики Станіслав Міхєєв та Олексій Смирнов (1986 року).
Запропонований механізм отримав назву ефекту Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна. Явище полягає в тому, що при русі нейтрино в речовині лептони, що оточують його, індукують появу у частинки так званої ефективної маси, яка залежить від типу нейтрино і щільності лептонів у середовищі. Якщо маси нейтрино дорівнюють нулю або збігаються, то такого процесу бути не повинно.
У класичній версії Стандартної моделі (СМ) — сучасної та найбільшнесуперечливої робочої теорії, що описує всі відомі взаємодії елементарних частинок і отримала впевнене експериментальне підтвердження (що відкриттям бозона Хіггса), - нейтрино мають рівну нулю масу. Однак останні десятиліття вчені проводять розрахунки, вважаючи масу нейтрино ненульової, — це досягається невеликою модифікацією РМ без порушення її внутрішньої стрункості.
Вейлівські ферміони вченим вдалося виявити, але лише у формі квазічастинок. Частинки фізики виявили в експериментах з проходження світла через одну з форм кристалів танталу арсеніду (сполуки миш'яку і танталу). Вчені зуміли вибрати з усього різноманіття таких кристалів (їхні оптичні властивості залежать від частоти падаючого випромінювання) з'єднання з необхідними фізичними властивостями. Матеріал із такими квазічастинками може знайти застосування у комп'ютерах майбутнього.
У Стандартній моделі – сучасній теорії фізики елементарних частинок – безнейтринний подвійний бета-розпад порушує закон збереження (загального) лептонного числа. Так, якщо в подвійному бета-розпаді утворюються по дві частинки та античастинки (наприклад, два електрони (лептонний заряд дорівнює +2) і два електронні антинейтрино (лептонний заряд дорівнює -2)) і закон збереження лептонного числа зберігається (0=+2- 2), то в безнейтринному подвійному бета-розпаді можуть утворитися тільки, наприклад, два електрони, і закон збереження лептонного числа виявляється порушеним (0 +2).
