Почему за превращения нейтрино присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года
перепечатал из lenta.ru7 оценок, 486 просмотров Обсудить (14)
Фото: Barcroft Media / Global Look
Нобелевскую премию по физике 2015 года получат канадец
Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных
осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании
ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько
десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно
поставило точку в этом вопросе.
Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80
лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так
называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов
в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали
верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и
электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и
полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это
приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра
(его полного момента количества движения).МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ
Такааки Кадзита
«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.
Артур Макдоналд
Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц — промежуточных векторных бозонов — и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.
Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил — скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый — имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.
Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.
Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.
Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них — протоны, электроны и нейтрино).
Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.
Природные источники нейтрино и будущие эксперименты
Изображение: Nigel Hawtin / Nature
Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики — ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).
Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.
В классической версии Стандартной модели (СМ) — современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), — нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, — это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.
Солнечные нейтрино и эксперимент SNO
Изображение: @NobelPrize
Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином — именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы — в частности, электроны и их античастицы — позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.
В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.
Вейлевские фермионы ученымудалось обнаружить,
но только в форме квазичастиц. Частицы физики обнаружили в
экспериментах по прохождению света через одну из форм кристаллов
арсенида тантала (соединения мышьяка и тантала). Ученые сумели выбрать
из всего многообразия таких кристаллов (их оптические свойства зависят
от частоты падающего излучения) соединения с необходимыми физическими
свойствами. Материал с такими квазичастицами может найти применение в
компьютерах будущего.
В Стандартной модели — современной теории физики элементарных частиц — безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).
Атмосферные нейтрино и эксперимент Super-Kamiokande
Изображение: @NobelPrize
Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по-мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи — таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.
Бета-распад
Изображение: Wikipedia
1/3
Несмотря на то что теория двухкомпонентного нейтрино описывала эти
частицы как вейлевские, в целом она оказалась верной. Это связано с
чрезвычайно малой массой этих частиц, которой в большинстве случаев
можно пренебречь.
Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения улов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для суперсимметричных моделей были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако на ее основе все еще существуют возможность построения непротиворечивой модели физики частиц.
МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ
20:08 7 октября 2014
Лампочка Накамуры
Нобелевскую премию по физике присудили за создание дешевых синих светодиодов
В 2011 году коллаборация OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) объявила об обнаружении сверхсветовых нейтрино. Позднее ученые признали свое открытие ошибочным и отказались от него. Не обошли вниманием нейтрино и писатели. В романе Станислава Лема «Солярис» описывались «гости» — разумные существа из нейтрино.
Каждое открытие, связанное с нейтрино, отмечается вниманием Нобелевского комитета. И неслучайно: все развитие физики элементарных частиц в XX веке неразрывно связано с этой частицей, тем не менее о ней известно чрезвычайно мало — меньше нее изучен только бозон Хиггса. 85 лет истории исследований нейтрино так и не позволили определить ее массу, а непрозрачность ее свойств позволила физикам связать дальнейший прогресс в науке с прогнозированием потенциальных свойств этой частицы.
