О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизньНаука

Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

Разработчик и многолетний руководитель установки «Троицк ню-масс» академик Владимир Михайлович Лобашёв (второй справа в первом ряду) со своей командой. Фотография 2010 года. Фото: ИЯИ РАН

С того момента, как Вольфганг Паули в 1930 году, спасая закон сохранения энергии в микромире, выдвинул гипотезу о существовании нейтрино, эта неуловимая частица остаётся на переднем крае физических исследований. Недаром академик Виталий Лазаревич Гинзбург, обсуждая вопрос о том, какие проблемы физики и астрофизики представляются на пороге ХХI века особенно важными и интересными, среди прочих указал нейтринную физику и астрофизику (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1999 г.). И первые два десятилетия нового века не обманули ожидания учёных. Исследования нейтрино получили сразу две Нобелевские премии: в 2002 году — за регистрацию космических нейтрино, а в 2015-м — за экспериментальное доказательство существования осцилляций нейтрино (см. «Наука и жизнь» № 12, 2002 г. и № 11, 2015 г.). Работы продолжают набирать ход, строятся новые нейтринные обсерватории, расширяется международное сотрудничество. Журнал «Наука и жизнь», держа руку на пульсе, регулярно рассказывал на своих страницах о нейтрино (см., например, №№ 2, 3, 2000 г. и №№ 3, 4, 2014 г.). Из последнего можно упомянуть открытие российскими астрофизиками рождения космических нейтрино высоких энергий блазарами (см. № 4, 2021 г.). В нашей стране исследования нейтрино ведутся в основном в Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ), который занимается этим уже полвека, с момента своего образования в 1970 году. В распоряжении института находятся уникальные установки в Баксанском ущелье (см. «Наука и жизнь» № 9, 2019 г.), на озере Байкал и в подмосковном Троицке. Кроме того, ИЯИ участвует в целом ряде крупнейших международных нейтринных проектов.

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований рассказывает директор Института ядерных исследований РАН, доктор физико-математических наук Максим Либанов. Беседу ведёт Наталия Лескова.

Максим Валентинович Либанов. Фото Наталии Лесковой

— Максим Валентинович, для чего вообще нужны нейтринные исследования?

— Существование нейтрино было предсказано ещё в 30-х годах прошлого века. Причём предсказано с осторожностью, в том смысле, что тогда казалось проще допустить нарушение закона сохранения энергии и импульса, чем предположить существование новой частицы. Поэтому, когда при изучении бета-распадов ядер выяснилось, что энергия не сохраняется, ведущие физики того времени, например, Нильс Бор, уже всерьёз начали обсуждать возможность нарушения закона сохранения энергии. Но Паули в открытом письме высказал предположение, что причиной расхождений по энергии при бета-распаде может быть образование новой частицы, не имеющей заряда. Он назвал её нейтроном, однако вскоре название «нейтрон» было присвоено другой, только что открытой частице. Название «нейтрино» придумал Ферми. Обнаружить нейтрино оказалось гораздо сложнее, чем любую заряженную частицу — электрон, позитрон, протон или даже также не имеющий заряда нейтрон.

Окончательно нейтрино было открыто в 50-е годы прошлого века, после чего в самых разных направлениях начала развиваться нейтринная тематика. Стало ясно, что практически во всех известных нам ядерных реакциях участвуют нейтрино. В частности, нейтрино образуются в ядерных реакторах и в термоядерных реакциях на Солнце. Представьте: каждую секунду через нас пролетает сотни триллионов солнечных нейтрино. Но они взаимодействуют настолько слабо, что их очень сложно зарегистрировать.

Несмотря на свою неуловимость, эти частицы дают нам представление о том, как устроена физика за пределами Стандартной модели, которая считается в каком-то смысле законченной, в особенности после открытия бозона Хиггса в 2013 году.

— Но почему «в каком-то смысле»? Что-то мешает ей стать окончательно законченной?

— Да. А именно — один спорный момент: согласно этой модели, нейтрино не может иметь массу. Однако обнаружение осцилляции нейтрино, или его способности переходить из одной формы в другую, требует того, чтобы нейтрино было массивным. Очевидно, что уже по одной этой причине Стандартная модель неполна и её надо расширять. Такую возможность даёт изучение нейтрино.

В Стандартной модели помимо хорошо изученного электрона присутствуют ещё два его аналога, отличающиеся от него только массой, но имеющие такой же электрический заряд и другие характеристики, — мюон и тау-лептон. С каждой из этих заряженных частиц может взаимодействовать нейтрино. Но нейтрино, которое взаимодействует, например, с электроном, не может вступить во взаимодействие с тау-лептоном. Таким образом, в Стандартной модели присутствуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В различных реакциях они появляются только вместе со своим заряженным партнёром.

Нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях на Солнце, являются электронными. Мы знаем, сколько энергии выделяет наше светило, следовательно, можем прикинуть, сколько оттуда вылетает нейтрино, а значит, можем попытаться зарегистрировать их на Земле. Так вот, регистрируя на Земле электронные нейтрино, испущенные Солнцем, физики выяснили, что их примерно вдвое меньше, чем ожидалось.

Установка «Троицк ню-масс». В настоящее время на установке проводятся эксперименты по поиску стерильных нейтрино в диапазоне масс до 5—7 кэВ. Фото: ИЯИ РАН

— Куда же они подевались?

— Наиболее консервативный ответ заключается в том, что на Земле мы фиксируем нейтрино не всех энергий. Действительно, большинство ранних экспериментов могло ловить солнечные нейтрино только с достаточно большой энергией. Между тем, бо́льшая часть солнечных нейтрино имеет меньшую энергию. Поэтому долгое время считалось, что мы просто не видим нейтрино с низкой энергией.

Многие экспериментальные группы стремились измерить поток нейтрино с низкой энергией. Точку в этом вопросе поставил галлий-германиевый нейтринный телескоп у нас в Баксанской нейтринной обсерватории. Идея эксперимента, предложенная членом-корреспондентом РАН Вадимом Алексеевичем Кузьминым, заключается в следующем: нейтрино от Солнца прилетают на Землю, слабо взаимодействуют с ядрами галлия, ядра галлия переходят в ядра германия, и можно посчитать их количество.

— Сколько же таких ядер насчитали?

— Цифры впечатляют: из 50 тонн галлия за месяц выделяется 15 ядер германия. А должно быть, согласно подсчётам, 30. Это даже не иголка в стоге сена.

— Почти по Маяковскому: изводишь единого ядрышка ради тысячи тонн руды.

— Именно так. Галлий-германиевый эксперимент знаменит тем, что, в отличие от предыдущих, померил практически весь спектр солнечных нейтрино и показал, что консервативный ответ не проходит, и вопрос дефицита солнечных нейтрино встал со всей остротой.

Другое решение проблемы нехватки нейтрино основано на гипотезе, выдвинутой Бруно Понтекорво в 1957 году. Он первым предположил, что есть осцилляции — то есть, в процессе движения нейтрино могут переходить из одного типа в другой. Если это так, то поток электронных нейтрино, рождённых на Солнце, приходит к нам на Землю уже в виде смеси трёх типов нейтрино. До недавнего времени все эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, включая галлий-германиевый, могли поймать только электронные нейтрино.

В 1999 году в Садбери в Канаде был запущен эксперимент SNO (Sudbury Neutrino Observatory), который смог поймать не только электронные, но и мюонные и тау-нейтрино. Измеренный полный поток нейтрино практически полностью совпал с предсказанным Солнечной моделью. За открытие осцилляций Артур Макдональд, руководитель эксперимента SNO, и Такааки Кадзита, руководитель эксперимента Камиоканде (Япония), в 2015 году получили Нобелевскую премию. Руководитель нашего галлий-германиевого эксперимента, член-корреспондент РАН Владимир Николаевич Гаврин, к сожалению, премию не получил. Однако наш эксперимент стал предтечей нобелевского результата. Без него бы, я думаю, ничего не было.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Пыльные бури — взгляд из космоса Пыльные бури — взгляд из космоса

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Создан новый революционный механизм редактирования генома без необходимости разрезать ДНК Создан новый революционный механизм редактирования генома без необходимости разрезать ДНК

Ученые разработали систему генной инженерии Retron Library Recombineering

Популярная механика
Лекарство матушки Анрио Лекарство матушки Анрио

История и производство абсента

Вокруг света
Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир

Суперфуды всегда в топе, что бы они собой ни представляли

Cosmopolitan
Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях

Знакомьтесь с историей русской выпечки и готовьте традиционные блюда

Культура.РФ
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля

Астрономы обнаружили атомы железа и никеля в холодных комах комет

N+1
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Любовь или война? Почему мы ссоримся с партнером и как это исправить Любовь или война? Почему мы ссоримся с партнером и как это исправить

Как складываются сценарии домашних «войн»?

Psychologies
Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5 Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5

Лучшие игры для компьютера с открытым миром, которые все еще актуальны

CHIP
Геркулесовы столбы Геркулесовы столбы

Как живут два полуанклава Гибралтара на месте мифических Геркулесовых столбов

Вокруг света
Привет из зазеркалья: есть ли в космосе антизвезды Привет из зазеркалья: есть ли в космосе антизвезды

Астрономы назвали 14 объектов, которые могут оказаться антизвездами

Forbes
Почему комары кусают не всех Почему комары кусают не всех

Комары кусают не всех — это факт

Наука и жизнь
Повзрослевший МС Сенечка – о своем новом альбоме «Космически земное приключение» Повзрослевший МС Сенечка – о своем новом альбоме «Космически земное приключение»

МС Сенечка рассказывает о треках из своего нового альбома

GQ
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
Обманные пункты Обманные пункты

Схемы, изобретенные находчивыми онлайн-мошенниками

Cosmopolitan
Индия после Ганди Индия после Ганди

История крупнейшей демократии в мире

kiozk originals
Смертельные мечты: почему школьные стрелки берутся за оружие Смертельные мечты: почему школьные стрелки берутся за оружие

Что становится причиной скулшутинга и существуют ли способы его предотвратить?

Cosmopolitan
Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя

Чем занимаются повзрослевшие актеры «Кадетства»?

Cosmopolitan
Разогнать облака над Америкой: как двое россиян захватывают рынок экспресс-доставки продуктов в Нью-Йорке Разогнать облака над Америкой: как двое россиян захватывают рынок экспресс-доставки продуктов в Нью-Йорке

Как двое россиян заметили пустующую нишу на американском рынке

Forbes
Как использовать эмоции себе во благо: подсказки коуча Как использовать эмоции себе во благо: подсказки коуча

Язык эмоций поможет нам использовать свое состояние себе же на пользу

Psychologies
С помойки подул зеленый ветер С помойки подул зеленый ветер

Россия отстает от мира во внедрении экономики замкнутого цикла

Эксперт
Александр Збруев: Александр Збруев:

Александр Збруев знает, наверное, что такое счастье

Караван историй
8 фактов о фильме «Список Шиндлера» 8 фактов о фильме «Список Шиндлера»

«Список Шиндлера» — умопомрачительно серьезный фильм Стивена Спилберга

Maxim
Оставьте на месте: аппендицит можно лечить без операции Оставьте на месте: аппендицит можно лечить без операции

Аппендикс на самом деле вовсе не бесполезный отросток

Cosmopolitan
От диэлектриков до космических кораблей От диэлектриков до космических кораблей

Завод «ИК Масловский» дал старт кластеру по выпуску композитов

Эксперт
8 примеров знаменитого русского оружия, которое на самом деле придумали за рубежом 8 примеров знаменитого русского оружия, которое на самом деле придумали за рубежом

Эти шедевры русского оружейного искусства на самом деле не очень русские

Maxim
Неандертальцы вымерли в Крыму более 40 тысяч лет назад Неандертальцы вымерли в Крыму более 40 тысяч лет назад

Британские палеоантропологи: Крым – одно из последних мест жизни неандертальцев

N+1
Открыть в приложении