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

Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Голые и в бикини: пикантные фото Рудовой, Кошкиной и других звезд «Молодежки» Голые и в бикини: пикантные фото Рудовой, Кошкиной и других звезд «Молодежки»

Актрисы сериала «Молодежка» примеряют впечатляющие сексуальные образы

Cosmopolitan
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности 13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности

Как понять, что за чужой любовью и заботой скрываются манипуляции

Psychologies
Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
Асмус, Брежнева и другие: на кого звездные мужчины променяли своих жен Асмус, Брежнева и другие: на кого звездные мужчины променяли своих жен

Как выглядят девушки, ради которых звездные мужчины ушли от своих жен

Cosmopolitan
Человек, который придумывает будущее Человек, который придумывает будущее

Компания с российскими корнями разрабатывает уникальные технологии для авто

Популярная механика
«Так ездить опасно». Водителей предупредили о весеннем обострении «Так ездить опасно». Водителей предупредили о весеннем обострении

Может ли период межсезонья повлиять на психологическое состояние человека?

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

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Истребитель дронов Истребитель дронов

Российская компания представила первый в мире беспилотный истребитель дронов

Популярная механика
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Новые стандарты и грандиозные планы: как добиться обеспечения 100% россиян качественной питьевой водой Новые стандарты и грандиозные планы: как добиться обеспечения 100% россиян качественной питьевой водой

Какой должна быть качественная питьевая вода?

Популярная механика
О чём умолчали классики О чём умолчали классики

Давайте рассмотрим произведения русских писателей с точки зрения математики

Наука и жизнь
«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
Обитатели ледяных лун Обитатели ледяных лун

В каких уголках солнечной системы может скрываться внеземная жизнь?

Вокруг света
Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов

Способы справиться с севшим автомобильным аккумулятором

РБК
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Анна Евневич: Clubhouse — минутный хайп или голос будущего? Анна Евневич: Clubhouse — минутный хайп или голос будущего?

Clubhouse: чем платформа привлекла миллионы пользователей?

СНОБ
От мала до велика От мала до велика

Рассматриваем рекордсменов из царства животных

Наука и жизнь
Бесшумная революция Инглхарта: как американский политолог помог нам лучше понять, чего мы хотим Бесшумная революция Инглхарта: как американский политолог помог нам лучше понять, чего мы хотим

Политолог Илья Локшин рассказывает главное о наследии Рональда Инглхарта

Forbes
Петр Гейбер: Роман как любовная связь. Памяти Екатерины Николаевны Вильмонт Петр Гейбер: Роман как любовная связь. Памяти Екатерины Николаевны Вильмонт

Петр Гейбер — о писательнице и литературном переводчике Екатерине Вильмонт

СНОБ
Образование в долг: что не так с предложением Skyeng учить студентов в счет будущей зарплаты Образование в долг: что не так с предложением Skyeng учить студентов в счет будущей зарплаты

Как будет работать система обучения студентов в счет зарплаты и в чем ее риски

Forbes
Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта

Следующей волной внедрения разговорного интеллекта будет сфера развлечения

Популярная механика
От чего зависит твой рост? От чего зависит твой рост?

От чего зависит, достигнешь ли ты своего максимального потенциала в росте

Maxim
Вот это закалка! Вот это закалка!

Рассказываем, как правильно закаливать себя и ребенка

Добрые советы
Скатертью дорожка Скатертью дорожка

Руководство по обустройству тропинок на дачном участке

Лиза
6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди 6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди

Необдуманные шаги, которые не в правилах финансово грамотных людей?

Psychologies
«Будьте эгоистами — это полезно для здоровья». Мифы об эгоизме, с которыми нужно расстаться «Будьте эгоистами — это полезно для здоровья». Мифы об эгоизме, с которыми нужно расстаться

Глава из книги гештальт-терапевта Алины Адлер «Ты в порядке»

СНОБ
«Не спи и пой». Ольга Перетятько о новом сольном альбоме «Песни для Майи» «Не спи и пой». Ольга Перетятько о новом сольном альбоме «Песни для Майи»

Ведущее сопрано мира Ольга Перетятько осваивает новый репертуар

СНОБ
История с Бородой История с Бородой

История раввина Синагоги в Жуковке Александра Бороды

Tatler
Открыть в приложении