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

Заповедные новости Заповедные новости

Восстановление после пожаров и регистрация китов — новости из заповедников

Наука и жизнь
Царь горы Царь горы

Чем для светской общины Николиной Горы был погибший Александр Липницкий

Tatler
Новости науки Новости науки

Масса нейтрино, рождение черной дыры и погружение Америки в мантию

Знание – сила
Идеальная мишень. Почему мы любим ненавидеть Чулпан Хаматову Идеальная мишень. Почему мы любим ненавидеть Чулпан Хаматову

Критиковать Чулпан Хаматову всем и по любому поводу стало общим местом

СНОБ
Человек уже не тот Человек уже не тот

Как эволюция продолжает нас менять, и нужно ли это человечеству

Вокруг света
Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской

Сахаров переворачивал традиционную для России иерархию ценностей

Forbes
«Могла съесть несколько буханок хлеба с сыром»: как я справилась с булимией «Могла съесть несколько буханок хлеба с сыром»: как я справилась с булимией

Наша героиня рассказывает, каково это — справиться с серьезным РПП

Cosmopolitan
«Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания «Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания

Правила временной сепарации с партнером, которые помогут улучшить отношения

Psychologies
«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
Правила жизни Миуччи Прады Правила жизни Миуччи Прады

Правила жизни модного дизайнера Миуччи Прады

Esquire
Необычные секс-традиции Древней Индии Необычные секс-традиции Древней Индии

Кое-что из этого индусы практикуют до сих пор…

Maxim
Первая леди финтеха Первая леди финтеха

Девушка из Краснознаменска стала директором крупнейшего венчурного фонда Европы

Forbes
Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный

Почему домашнее огородничество отличное занятие и как к нему подступиться?

Esquire
Нежные красотки! Как выглядят дочери Воли, Галустяна и других звезд Comedy Club Нежные красотки! Как выглядят дочери Воли, Галустяна и других звезд Comedy Club

Каких очаровательных наследниц воспитывают звезды Comedy Club

Cosmopolitan
Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами

Окраска яиц удодов оказалась признаком, связанным с шансами на появление птенцов

N+1
Личные драмы звезд культового фильма «Маленькая Вера»: Негоды, Соколова и других Личные драмы звезд культового фильма «Маленькая Вера»: Негоды, Соколова и других

Как сложилась судьба актеров, сыгравших главные роли в фильме «Маленькая Вера»

Cosmopolitan
Французский пасхальный пирог Французский пасхальный пирог

Le Tourteau Fromage – французский пасхальный пирог

Weekend
Лучший трофей Лучший трофей

Загородная резиденция для заядлого охотника

SALON-Interior
На месте средневекового кораблекрушения нашли стеклобой для вторичной переработки На месте средневекового кораблекрушения нашли стеклобой для вторичной переработки

На затонувшем торговом корабле обнаружены два килограмма стеклянных осколков

N+1
Мидии: полезные свойства и потенциальные риски популярного морепродукта для мужчин Мидии: полезные свойства и потенциальные риски популярного морепродукта для мужчин

Питательный профиль мидий, а также преимущества и риски для здоровья мужчин

Playboy
Денис Миллионов: «Нужно быть сильным барменом, но в душе — шеф-поваром» Денис Миллионов: «Нужно быть сильным барменом, но в душе — шеф-поваром»

Денис Миллионов увлекается российскими дикоросами

Bones
Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем

Дроздовидные камышовки во время миграций дважды в год пересекают Сахару

N+1
12 кодов ошибок стиральных машин LG и способы их устранения 12 кодов ошибок стиральных машин LG и способы их устранения

Что означают коды на стиральной машинке LG и как их исправить?

CHIP
Сухой закон Сухой закон

Как уменьшить выделение пота в жару и справиться с неприятным запахом?

Добрые советы
Быть честным с собой: как ставить правильные цели Быть честным с собой: как ставить правильные цели

Обычно мы понимаем, что пришло время перемен, когда не получаем того, чего хотим

Psychologies
Исследование: какие приложения охотно продают ваши данные Исследование: какие приложения охотно продают ваши данные

Какие персональные данные пользователей и как собирают мобильные приложения?

CHIP
Ферментируй это Ферментируй это

Квашеная капуста, кимчи и комбуча становятся главными героями гастроповестки

Tatler
Майндбендер, майндфак: какой получилась игра NieR Replicant от самого скрытного мистификатора из игрового мира Майндбендер, майндфак: какой получилась игра NieR Replicant от самого скрытного мистификатора из игрового мира

Перезапуск игры 2010 года от легендарного дизайнера Йоко Таро

Esquire
Термогенетика помогла покрутить мышей ультразвуком Термогенетика помогла покрутить мышей ультразвуком

Ученые разработали метод стимуляции глубоких нейронов с ультразвуком

N+1
Постоянно хочется спать: 15 причин, почему это происходит Постоянно хочется спать: 15 причин, почему это происходит

Сонливость может быть и симптомом многих болезней

РБК
Открыть в приложении