Маса нейтральних, Світ, ІноСМІ - Все, що гідно перекладу
Все за сьогодні
Війна та ВПК
Вибори в Україні
Мультимедіа
Нобелівську премію з фізики вручено за доказ того, що загадкові частинки нейтрино мають масу.
У вівторок у Стокгольмі було оголошено лауреатів Нобелівської премії 2015 року з фізики. Ними стали канадець Артур Макдоналд із нейтринної обсерваторії у Садбері (Канада) та японський вчений Такаакі Казіта з лабораторії Super-Kamiokande. Як зазначається на сайті премії, фізики були удостоєні призу за «відкриття осциляції нейтрино, що показало, що нейтрино має масу». За цими словами ховається історія дивовижних спостережень за частинками, що летять з космосу, які вчені зробили в глибоких підземних лабораторіях.
Мабуть-невидимо невидимих
Нейтрино називають однією з найзагадковіших елементарних частинок. Як розповідає фізик Михайло Данилов, член-кореспондент РАН, співробітник Інституту теоретичної та експериментальної фізики, «усі ми складаємося з двох кварків, електрона та загадкової частинки – нейтрино. З кварків утворюються нейтрони та протони, разом вони утворюють ядра, якщо додати до цього електрони, виходять атоми. А нейтрино начебто зовсім ні до чого. Але насправді вони надзвичайно важливі, досить сказати, що без нейтрино не світило б Сонце».
Нейтрино - найпоширеніша частка у Всесвіті після фотону, вони народжуються в надрах зірок, у процесі роботи атомних електростанцій і навіть при природному розпаді ізотопів калію, що містяться в людському тілі. Але особливість нейтрино (зашифрована у тому назві) у цьому, що вони дуже слабко реагують з речовиною. Світло не може пройти крізь наші тіла, а малесенькі нейтрино проходять крізь нас трильйонами кожну секунду. Так само легконейтрино здатні проникнути і крізь товщу землі і через будь-який прилад, тому їх так складно виявити, зареєструвати.
Існування нейтрино було передбачено на початку 1930-х австрійським фізиком Вольфганом Паулі, але експериментальне виявлення дивовижних частинок пішло ще чверть століття. Тільки 1956 року американським вченим Фредеріку Райнесу та Клайду Коуану вперше вдалося зареєструвати нейтрино, що виникли в процесі ядерних реакцій під час роботи реактора в Південній Кароліні, — за це Райнес удостоївся Нобелівської премії 1995 року.
Тепер, через 20 років, нейтрино знову опинилися в центрі уваги Нобелівського комітету і всього світу. Експериментальним фізикам Артуру Макдоналду і Такаакі Казіті вдалося на рубежі століть встановити властивість цих частинок, в яку більшість фізиків вірити не хотіли: нейтрино мають масу, як, наприклад, електрони, і на відміну від фотонів. Справа в тому, що існування у нейтрино маси входило в протиріччя з так званою Стандартною моделлю, своєрідною кухонною книгою речовини у Всесвіті, що описує всі відомі елементарні частинки та способи їх взаємодій. Однак два проведені глибоко під землею експерименти показали, що Стандартна модель не є остаточним описом світу.
Загадкове зникнення
Більшість обсерваторій, що реєструють та вивчають нейтрино, знаходяться під землею: це дозволяє екранувати шум інших частинок, не здатних проникнути крізь товщу породи та реєструвати нейтрино у відносно чистому вигляді. Багато з таких обсерваторій були побудовані спеціально для вивчення нейтрино, що надходять на Землю із Сонця. Їхні перші ж спостереження виглядали загадково: «Реєструвалося приблизно втричі менше нейтрино, ніж можна було з великою точністюпередбачити, виходячи зі світності Сонця, кількості енергії, яку воно виділяє, — розповідає Михайло Данилов. — Це викликало велике збентеження у вчених лавах, люди почали думати, що невірні моделі Сонця».
Але якщо наші уявлення про Сонце вірні, то куди могли подітися дві третини нейтрино по дорозі на Землю? Одна гіпотеза була. Справа в тому, що нейтрино існують у трьох варіантах: електронні нейтрино, мюонні нейтрино та тау-лептонні (або просто тау) нейтрино, вони називаються так відповідно до частинок-партнерів - електроном, мюоном і тау-лептоном. Іншим поясненням було те, що нейтрино, що вилітають із Сонця, а це виключно електронні нейтрино, дорогою перетворюються на два інші види нейтрино, мюонні та тау-лептонні, які в детекторі не реєструвалися», — каже Данилов. Така метаморфоза нейтрино одного типу в іншій називається осциляцією, і Михайло Данилов зазначає, що першим про можливість такого феномену заговорив фізик італійського походження Бруно Понтекорво, який багато років пропрацював у СРСР (і, між іншим, колишній професор Михайла Данилова).
Метаморфози у польоті
Почасти підтвердити гіпотезу, що нейтрино здатні осцилювати, дозволили спостереження нейтринної обсерваторії Super-Kamiokande, запущеної 1996 року в шахті на покинутих цинкових родовищах неподалік Токіо. Ця лабораторія, яку очолював Такаакі Казіта, реєструвала мюонні нейтрино, що виникли внаслідок зіткнення космічних променів із земною атмосферою. Спостереження показували, що число нейтрино, що приходять у датчик зверху, менше, ніж прилітають знизу, на звороті Земної кулі. Але атмосфера зазнає бомбардування космічними променями рівномірно з усіх боків, а пролетіти через всю планетунейтрино не уявляє труднощів — отже, обсерваторія повинна реєструвати однакову кількість частинок з обох напрямків. Єдиним поясненням було те, що частина мюонних нейтрино, що виникли на зворотній, антиподній стороні Землі, встигають за більш тривалого польоту перетворитися на нейтрино іншого типу і тому не реєструються приладами.
Залишилося переконатися, що нейтрино одного типу справді перетворюються на нейтрино іншого типу, а не зникають дорогою яким-небудь невідомим науці способом. Це вдалося зробити завдяки нейтринній обсерваторії, запущеній у 1999 році на глибині 2 кілометрів у шахті Крейгтон неподалік канадського міста Садбері. Лабораторія в Садбері, яку очолив Артур Макдоналд, спостерігала нейтрино, що приходять із Сонця, але була здатна реєструвати не лише їхній електронний варіант, а й усі три типи нейтрино разом. Як і в попередніх спостереженнях, дані Садбері показували, що до Землі добирається втричі менше електронних нейтрино, ніж очікується. Але коли вчені підрахували кількість зареєстрованих нейтрино всіх трьох типів одночасно, виявилося, що воно точно збігається з прогнозованим.
Нестандартна маса Комбінація результатів обох експериментів разом доводила, що нейтрино нікуди не подіються по дорозі від Сонця або зі зворотного боку Землі, вони просто змінюють свій тип, тобто осцилюють. Такою властивістю можуть мати тільки частинки, що мають масу, а отже, маса, нехай і крихітна, є і в нейтрино. Маса нейтрино досі точно невідома, але існують оцінки, згідно з якими загальна маса всіх нейтрино у Всесвіті можна порівняти із загальною масою всіх видимих зірок. Нейтрино малі, але їх дуже багато.
Мабуть, головне значення відкриттяМакдоналда і Казити полягає в тому, що воно підставило першу серйозну підніжку Стандартної моделі, стало, за словами Данилова, виходом за її межі: «Масу нейтрино можна внести до певної модифікації Стандартної моделі, але ніхто не гарантує, що ця модифікація буде правильним поясненням маси . Не виключено, що йдеться про складніший феномен, про зовсім нову фізику».