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

Лекарство матушки Анрио Лекарство матушки Анрио

История и производство абсента

Вокруг света
5 книг выдающегося психолога современности 5 книг выдающегося психолога современности

Лучшие книги Роберта Лихи, которые помогут победить тревожность

Популярная механика
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц

Рита Ора – популярная британская певица албанского происхождения

Playboy
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Ядерный эксперимент из Ярославля: как группа Cream Soda переизобрела российскую поп-музыку и попала в список Forbes Ядерный эксперимент из Ярославля: как группа Cream Soda переизобрела российскую поп-музыку и попала в список Forbes

Как Cream Soda прошла путь от андеграунда до яркого поп-коллективова России?

Forbes
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Начистоту: как обсуждать с партнером проблемы в постели Начистоту: как обсуждать с партнером проблемы в постели

Проблемы и даже небольшие недочеты в постели нужно обсуждать, но как?

Psychologies
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
«Дай своей вагине витамин Д»: самые нелепые бьюти-советы звезд «Дай своей вагине витамин Д»: самые нелепые бьюти-советы звезд

Некоторые звезды, конечно, те еще советчики...

Cosmopolitan
Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
Пищевые добавки - реальная угроза для здоровья и фигуры? Пищевые добавки - реальная угроза для здоровья и фигуры?

Какие пищевые добавки больше всего вредят организму, и можно ли их избежать?

Худеем правильно
Идея! Оставлять чаевые Идея! Оставлять чаевые

Учись правильно благодарить тех, кто оказывает тебе услуги

Maxim
Радость бытия Радость бытия

Квартира для девушки-студентки в стиле фьюжн

Идеи Вашего Дома
Успеть за 15 секунд Успеть за 15 секунд

Людям надоело притворяться – в TikTok они остаются собой

Популярная механика
Песня разлуки Песня разлуки

Мы прощаемся со многими людьми… И нам приходится учиться жить с этим

Psychologies
Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера

Малые дозы радиации оказались эффективны в борьбе против болезни Альцгеймера

N+1
Окислительная вечеринка Окислительная вечеринка

«Кислородная катастрофа» или Великое кислородное событие

Наука и жизнь
Как сделать бизнес наиболее прибыльным: управление маржой Как сделать бизнес наиболее прибыльным: управление маржой

Отрывок из книги Дмитрия Костыгина «Жамевю»

GQ
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию

Впервые за три тысячи лет тасманийские дьяволы начали размножаться в Австралии

N+1
Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд

Голливудские дивы обладают впечатляющими формами

Cosmopolitan
«Одни по купонам горшки лепили, другие — песни»: монолог владельца Resonant Arts, где записывают рэперов, Познера и Дудя «Одни по купонам горшки лепили, другие — песни»: монолог владельца Resonant Arts, где записывают рэперов, Познера и Дудя

Дмитрий Бабак за 10 лет смог сделать из убыточной студии прибыльный бизнес

VC.RU
Гендиректор на замену: как преемником Баффета оказался человек, в 200 раз беднее «оракула из Омахи» Гендиректор на замену: как преемником Баффета оказался человек, в 200 раз беднее «оракула из Омахи»

Почему Баффет выбрал своим преемником человека, чье состояние в 200 раз меньше?

Forbes
Почему нам не нравится сексистская реклама Почему нам не нравится сексистская реклама

Что не так с рекламой, которая основана на гендерных стереотипах

Psychologies
Москва непраздничная: история провинциалки, которая пыталась покорить столицу Москва непраздничная: история провинциалки, которая пыталась покорить столицу

Наша героиня отправилась покорять Москву и устроилась работать в гипермаркет

Cosmopolitan
Первая глава дебютного романа Си Памжань «Сколько золота в этих холмах» Первая глава дебютного романа Си Памжань «Сколько золота в этих холмах»

Дебютный роман американской писательницы китайского происхождения Си Памжань

СНОБ
Как правозащитная биография Андрея Сахарова прорастала через научные открытия и государственные преграды Как правозащитная биография Андрея Сахарова прорастала через научные открытия и государственные преграды

Историк Александр Радаев — о создателе первой советской водородной бомбы

Esquire
Квантовый симулятор справился с непривычной для него задачей Квантовый симулятор справился с непривычной для него задачей

Физики из квантового центра создали пятикубитный квантовый вычислитель

N+1
Открыть в приложении