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

Время Рыб. Осеннее небо Время Рыб. Осеннее небо

Большое зодиакальное созвездие Рыбы имеет длинную и запутанную историю...

Наука и жизнь
Как устроена система Как устроена система

«Железный купол» может быть подавлен слишком большим количество целей

Популярная механика
«Нам остается либо примкнуть, либо возглавить процесс» «Нам остается либо примкнуть, либо возглавить процесс»

Cердечно-сосудистый хирург Глеб Ким — о том, как ИИ изменит медицину

Санкт-Петербургский университет
Будущее стратегической авиации: B-21 против ПАК ДА Будущее стратегической авиации: B-21 против ПАК ДА

В России и США разрабатываются новые модели стратегических бомбардировщиков

Популярная механика
Морис Симашко Морис Симашко

Портретная галерея Андрея Быкова: писатель Морис Симашко

Дилетант
Афанасьевцы из Горного Алтая принесли культуру скотоводства в Монголию Афанасьевцы из Горного Алтая принесли культуру скотоводства в Монголию

Археологи: древние жители Горного Алтая научили монголов скотоводству

N+1
10 самых плохих сериалов на Netflix 10 самых плохих сериалов на Netflix

Самые посредственные сериалы на Нетфликсе по рейтингу imdb

Maxim
Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам

Что не стоит говорить маме, чтобы не нарваться на грубость

Cosmopolitan
Шаловливая юбка, «голые» трусики: эротические конфузы Шейк, Хадид и других звезд Шаловливая юбка, «голые» трусики: эротические конфузы Шейк, Хадид и других звезд

Актрисы и модели, которые прилюдно попали в неловкую ситуацию

Cosmopolitan
Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии

Численность калифорнийских кондоров растет благодаря охране

N+1
История «уволенного за LSD на работе» главы стартапа оказалась сложнее: Bloomberg написал о его конфликте с инвесторами История «уволенного за LSD на работе» главы стартапа оказалась сложнее: Bloomberg написал о его конфликте с инвесторами

Джастин Чжу рассказал о том, как его неожиданно уволили из своего же стартапа

VC.RU
Синдром «мудрых стратегов»: почему женщины в России боятся инвестировать Синдром «мудрых стратегов»: почему женщины в России боятся инвестировать

Что мешает женщинам инвестировать?

Forbes
Безымянная пациентка №360446: как закончилась карьера балерины Ольги Спесивцевой Безымянная пациентка №360446: как закончилась карьера балерины Ольги Спесивцевой

Эта легендарная русская балерина стала одной из самых знаменитых в мире

Cosmopolitan
Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг

Стиральная машина для дома может быть качественной, функциональной и недорогой

CHIP
Биосенсор на основе серотонинового рецептора обнаружил негаллюциногенный психоделик Биосенсор на основе серотонинового рецептора обнаружил негаллюциногенный психоделик

Психоделик без галлюциногенного эффекта, но с антидепрессантыми свойствами

N+1
7 качеств людей, довольных жизнью 7 качеств людей, довольных жизнью

.Так какие они — люди, пребывающие в ладу с собой и с миром

Psychologies
«Это современное житие святого»: Роман Супер — о работе над фильмом про академика Сахарова «Это современное житие святого»: Роман Супер — о работе над фильмом про академика Сахарова

Почему Андрей Сахаров — это символ большой морали. Фильм «Сахаров. Две жизни»

Forbes
В Кении обнаружили древнейшее захоронение человека в Африке В Кении обнаружили древнейшее захоронение человека в Африке

Умершего 78 тысяч лет назад ребенка назвали Мтото

N+1
«Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые «Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые

Чем хороша четырехдневная рабочая неделя?

Популярная механика
Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов

Женщины имеют право быть трусливыми. Вот как они этим правом распоряжаются

Maxim
Девять друзей Девятаева Девять друзей Девятаева

«Девятаев», патриотический блокбастер с человеческим лицом

Weekend
Пластырь с микроиглами доставил вакцину от вируса Денге в эпидермис мышей Пластырь с микроиглами доставил вакцину от вируса Денге в эпидермис мышей

Вакцина от вируса Денге оказалась эффективна при однократном введении

N+1
10 самых неказистых стволов в истории 10 самых неказистых стволов в истории

Если твое оружие не выстрелит, неприятель все равно умрет. От смеха

Maxim
Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений

Пожар, ампутация, заболевания - такие испытания легли на плечи наших героинь

Cosmopolitan
10 сцен из советского кино, которые поймут только взрослые 10 сцен из советского кино, которые поймут только взрослые

Эти сцены из кино, которые поймут только люди, жившие в СССР

Psychologies
Сергей Лазарев: «Я не даю себе права на ошибку» Сергей Лазарев: «Я не даю себе права на ошибку»

Сергей Лазарев – о первых серьезных наградах и ностальгии по студенчеству

Cosmopolitan
«Пластиковый танк» — порождение британской военной мысли. Как его строили и что с ним стало «Пластиковый танк» — порождение британской военной мысли. Как его строили и что с ним стало

Он не игрушка, он настоящий!

Maxim
Девушки созрели! Пикантные фото дочерей Литвиновой, Климовой и других актрис Девушки созрели! Пикантные фото дочерей Литвиновой, Климовой и других актрис

Популярные российские актрисы стали мамами прекрасных дочерей

Cosmopolitan
Победительница шоу «Холостяк»: «На 80% была уверена, что Тимати выберет меня» Победительница шоу «Холостяк»: «На 80% была уверена, что Тимати выберет меня»

Все подробности романа Тимати и Екатерины Сафаровой на шоу «Холостяк»

Cosmopolitan
Как доделывать дела и запускать проекты вовремя Как доделывать дела и запускать проекты вовремя

Есть такие проекты, в которых все есть, а итог всё равно грустный

VC.RU
Открыть в приложении