Эксперты: Доказательство нейтринных осцилляций открыло двери в "новую физику"

Нобелевская премия 2015 года по физиологии и медицине была присуждена за сугубо "практические" исследования, спасшие жизни сотен миллионов людей. Как будто в противовес, физический Нобель этого года достался ученым, которые занимаются сверхфундаментальными вещами: пытаются проникнуть в сокровенные детали того, как устроена Вселенная.

Запрещенный прием

Нейтрино - элементарные частицы, которые "отвечают" за одно из четырех фундаментальных взаимодействий, конкретно за слабое взаимодействие. Оно лежит в основе радиоактивных распадов, и именно "непорядок" с физическим описанием одного из типов таких распадов заставил великого физика Вольфганга Паули в 1930-м году придумать новую частицу.

Сам ученый считал, что он использовал запрещенный прием и досадовал на себя за то, что придумал частицу, которая "вряд ли когда-нибудь будет обнаружена". Тем не менее через два года другой великий физик Энрико Ферми использовал гипотетическую частицу для создания новой элегантной физической теории. Заодно он придумал название "нейтрино", что означает "нейтрончик" - потому что, как и "большой" нейтрон, нейтрино не имеет электрического заряда, но значительно меньше по размеру.

Отчасти Паули был прав: при уровне развития технологий 1930-х г.г обнаружить нейтрино было невозможно. Эти частицы почти не взаимодействуют с окружающим их веществом: они могут пролетать миллиарды километров, "не замечая" на своем пути ни галактик, ни звезд, ни планет. Каждую секунду наши тела пронизывают триллионы нейтрино, которые рождаются в ядерных распадах и термоядерных реакциях на далеких звездах, не причиняя людям вреда.

Существование нелюбимой Паули частицы было впервые подтверждено в середине 1950-х годов американскими физиками Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. Исследователи зарегистрировали нейтрино в потоке частиц от одного из первых ядерных реакторов Саванна-Ривер в Южной Каролине /за эту работу в 1995 году Коуэн получил Нобелевскую премию; Рейнес до вручения не дожил/. Убедившись, что "нейтрончик" существует, физики тут же послали радостную телеграмму Паули: "недопустимый" физический трюк оказался пророческим. Позже в других работах было показано, что нейтрино делятся на три типа: электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Загадочные потери

Став официально признанными частицами, нейтрино продолжали оставаться загадкой. Чем больше физики исследовали их, тем очевиднее становилось, что эти частицы исчезают необъяснимым образом. Например, из мощного потока нейтрино, испускаемых Солнцем, до Земли добирается в лучшем случае половина. Куда деваются остальные частицы, было неясно. Это явление назвали парадоксом солнечных нейтрино, и оно беспокоило исследователей: фундаментальные физические законы категорически не допускают, чтобы частицы бесследно исчезали.

При этом еще в 1957 году возможное объяснение парадокса предложил работавший в Дубне итальянский и советский физик Бруно Понтекорво. Он предсказал, что нейтрино разных типов могут переходить друг в друга - этот процесс называется осцилляциями элементарных частиц. В частности, за эту идею ученый получил Ленинскую премию в 1963 году. Однако существование осцилляций возможно только в том случае, если нейтрино имеют массу, а с момента их открытия физики были уверены, что это - безмассовые частицы.

Поймать неуловимое

Идея Понтекорво была крайне нетривиальной, к тому же проверить ее экспериментально в те годы было нельзя: физики еще не научились надежно "ловить" частицы, которые почти не взаимодействуют с другими частицами. Но уже к концу 1990-х годов был придуман и построен детектор, который позволял регистрировать нейтрино в достаточных для анализа количествах. Детектор назывался Super-Kamiokande, и он был установлен в старой цинковой шахте в 250 км от Токио, а экспериментами на нем руководил один из двух нынешних лауреатов Такааки Кадзита.

Место для установки детектора было выбрано неспроста: толща земли глубиной в один километр надежно экранировала чувствительный прибор от посторонних частиц и сигналов. Собственно детектор - это заполненный сверхчистой водой резервуар высотой 42 м и шириной 40 м. Общая масса воды составляла почти 50 тысяч тонн.

Колоссальное количество жидкости нужно было для того, чтобы "ловить" нейтрино: из миллиардов частиц, пролетающих сквозь детектор, хотя бы несколько неизбежно должны были столкнуться с ядрами и электронами молекул воды. В таких столкновениях рождаются новые заряженные частицы, и этот процесс сопровождается вспышками света. Гигантский "бассейн" окружен 11 тысячами детекторов, которые улавливают и усиливают даже самое слабое свечение.

Super-Kamiokande был запущен в 1996 году и за два года "поймал" более 5 тысяч электронных и мюонных нейтрино /тау- нейтрино детектор "не чувствует"/. Теория предсказывала, что со всех сторон в детектор должно попадать одинаковое количество нейтрино обоих типов - однако снизу, то есть со стороны Земли, прилетало меньше мюонных нейтрино, чем сверху. Кадзита и коллеги предположили, что мюонные нейтрино, которые пролетают сквозь толщу планеты, под воздействием вещества превращаются в нейтрино других типов. "Нейтрончики", прилетающие в детектор сверху, такого влияния не испытывают, поэтому не меняют свою "идентичность".

Выводы Кадзиты через три года подтвердили физики, работавшие в Канаде на эксперименте SNO /Sudbury Neutrino Observatory - Нейтринная обсерватория Садбери/ под руководством второго лауреата Артура Макдональда. Хотя ученые намеревались разобраться с парадоксом солнечных нейтрино, эксперимент тоже располагался на глубине два километра в работающей никелевой шахте, пробуренной к тому же в метеоритном кратере.

Детектор SNO был устроен примерно так же, как в эксперименте Super-Kamiokande, только водяной "бассейн" заполняла не обычная, а тяжелая вода: в каждом атоме водорода в молекуле воды был лишний нейтрон. Вероятность, что нейтрино "столкнутся" с тяжелыми ядрами и породят новые частицы, была заметно выше. В Канаде много источников такой воды - отчасти именно поэтому установка была построена именно там.

Эксперимент мог детектировать столкновения со всеми тремя типами нейтрино, но, кроме того, ученые могли отдельно видеть столкновения только с электронными нейтрино. Таким образом, если по пути от Солнца до Земли часть электронных нейтрино превращается в нейтрино другого типа /то есть происходят осцилляции/, эксперимент SNO позволил это измерить. Что и было сделано: физики зарегистрировали одновременное уменьшение потока электронных нейтрино, летящих от Солнца, и появление мюонных и тау-нейтрино.

Нейтрино ломают базовую модель физики

После публикации результатов, полученных в двух экспериментах, не оставалось сомнений, что нейтринные осцилляции существуют. А значит, нейтрино все же имеют массу, чего изначально не предполагалось. "Существование массы изменило наше представление о Стандартной модели - базовой теории, которая объясняет свойства всех известных элементарных частиц и их взаимодействия. Хотя масса нейтрино и небольшая, сам факт того, что она есть, очень важен с точки зрения принципа", - поясняет начальник отдела лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, доктор физико- математических наук Александр Ольшевский.

Более того, подтверждено, что осцилляции нейтрино - не просто красивая теоретическая возможность, оно доказывает, что массы "нейтрончиков" неодинаковы. "Если бы нейтрино было безмассовой частицей, осцилляции были бы невозможны, и если у всех нейтрино были бы одинаковые массы, это тоже было бы невозможно. А если у них массы немножко отличаются, вот тогда такой эффект возможен", - говорит доктор физико- математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ Дмитрий Казаков. А вот определить, какие из нейтрино тяжелее, а какие легче, пока не удается - это задача сразу нескольких будущих экспериментов.

Наконец, доказательство, что нейтрино обладают массой, открывает дверь в новую физику. "Открытие массы у нейтрино - грандиозный прорыв. Одна из величайших проблем в науке - то, что мы вообще существуем, Вселенная существует, то, что у нас есть вещество и нет антивещества", - уточняет старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Иван Беляев. Из вещества состоят звезды, планеты, люди и все остальное, а вот антивещество встречается крайне редко. Физики не могут объяснить, почему во Вселенной есть такой "перекос". "Как только выяснилось, что возможны переходы одного типа нейтрино в другой, этот факт открыл возможность часть проблемы переложить на нейтрино", - заключает Беляев.

Один раз придуманные Паули частицы уже заставили ученых вносить изменения в святая святых современной физики - Стандартную модель, и, возможно, это только начало. Нейтрино настолько непохожи на остальные частицы, что любая разгадка их странных свойств выводит физиков за пределы уже существующих концепций. Так что, скорее всего, нейтрино еще не раз принесут исследующим их ученым Нобелевскую премию.