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

Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
Кузены по оружию. Почему инцидент с Протасевичем не изменит отношение Путина к Лукашенко Кузены по оружию. Почему инцидент с Протасевичем не изменит отношение Путина к Лукашенко

Судьба российской власти накрепко связана с судьбой белорусского режима

СНОБ
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
5 причин, почему лучше тратить деньги на новый опыт, а не на вещи 5 причин, почему лучше тратить деньги на новый опыт, а не на вещи

Можно ли купить себе счастье?

Playboy
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
3 мифа о том, как понять, что человек врет, и один настоящий признак 3 мифа о том, как понять, что человек врет, и один настоящий признак

Профессор психологии из Университета Техаса рассказал, как вычислить лжеца

Maxim
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
10 фактов о фильме «Москва слезам не верит» 10 фактов о фильме «Москва слезам не верит»

Все, что ты не знал о самом оскароносном фильме Советского Союза

Maxim
Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
5 ошибок сооснователя justfood Сергея Королёва 5 ошибок сооснователя justfood Сергея Королёва

Основатель сервиса доставки здорового питания о своих главных ошибках

Inc.
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
«Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс «Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс

Отправка людей на Марс может стать самой рискованной миссией в истории

Forbes
Кубик Осипова Кубик Осипова

Самая ожидаемая и самая крутая головоломка десятилетия

Популярная механика
Топ-10 стран, в которых экспатам больше всего нравится жить и работать Топ-10 стран, в которых экспатам больше всего нравится жить и работать

Насколько счастливы живущие и работающие за границей специалисты

Inc.
Когда близнецы не похожи друг на друга Когда близнецы не похожи друг на друга

Почему одни близнецы похожи друг на друга, а другие нет?

Наука и жизнь
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
Инструкция по осознанной практике: как стать лучшим Инструкция по осознанной практике: как стать лучшим

Все, что вам нужно знать, чтобы улучшить свои результаты в любом деле

VC.RU
Вождь индейки Вождь индейки

Агрохолдинг Наума Бабаева «Дамате» вскоре может стать самым крупным

Esquire
Свалка на орбите: почему космический мусор становится все опаснее Свалка на орбите: почему космический мусор становится все опаснее

Появились технологии, которые позволят провести генеральную уборку в космосе

Forbes
Серый кардинал Серый кардинал

Как защитить своего ребенка от учителя?

Лиза
Кодекс шопоголика: как бороться с навязчивым желанием приобретать вещи Кодекс шопоголика: как бороться с навязчивым желанием приобретать вещи

Причины шопоголизма и способы справиться с бесконтрольным потреблением

Psychologies
Археологи связали арабские мустатилы с неолитическим скотоводческим культом Археологи связали арабские мустатилы с неолитическим скотоводческим культом

Архитектура скотоводческого культа на северо-западе Аравии

N+1
3 шага в борьбе с привычной тревожностью 3 шага в борьбе с привычной тревожностью

Есть ли эффективный способ борьбы с тревожностью?

Psychologies
Нумерация страниц в Опен Офис: простая инструкция Нумерация страниц в Опен Офис: простая инструкция

Open Office представляет собой отличный и, главное, бесплатный аналог MS Office

CHIP
История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год

Швеция оставалась последней страна Европы, перешедшая на правостороннее движение

Maxim
Дом у озера Дом у озера

Загородный коттедж с уютным и лаконичным интерьером в духе американского ар–деко

SALON-Interior
Личные драмы Селены Гомес: абьюз Бибера, проблемы с весом и нервный срыв Личные драмы Селены Гомес: абьюз Бибера, проблемы с весом и нервный срыв

С какими переживаниями и трудностями сталкивалась Селена Гомез?

Cosmopolitan
Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово? Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово?

Как понять, что ваша пара готова к ипотеке

Psychologies
Как сжигание мусора провоцирует болезни Как сжигание мусора провоцирует болезни

О наиболее токсичных веществах, которые вырабатываются при сжигании мусора

СНОБ
Открыть в приложении