Нейтрино: частица, которая водит всех за нос

С помощью гигантских приборов ученые выслеживают легчайшие частицы материи

GEOНаука

Нейтрино: частица, которая водит всех за нос

С помощью гигантских приборов ученые выслеживают легчайшие частицы материи Вселенной — нейтрино. И постепенно расшатывают устои физики. Что впереди? Возможно, мы на пороге новой эры в науке

Текст: Клаус Бахманн

В обширной шахте рядом с канадским городом Садбери, в двух километрах под землей астрофизики установили огромную ловушку для нейтрино. На этой круговой панораме пропорции установки искажены. Диаметр детектора в центре — 18 метров. Он снабжен тысячами световых сенсоров

Разыскивается нейтрино. Элементарная частица. Самая легкая в составе материи. Одна из самых распространенных во Вселенной. Размер — крошечный. Характер — эксцентричный. Крайне некоммуникабельна. Взаимодействия избегает. На контакт не идет. С легкостью перевоплощается, меняя три-четыре личности. Особая примета: в зеркальном отражении левая и правая стороны не перевернуты. Подозревается в нарушении общепринятых законов физики.

Нейтрино — в истории физики самая разыскиваемая элементарная частица. За ней охотятся повсюду. В Южной Корее, Китае, Японии, Германии, Канаде, США. Ловушки расставлены по всей планете. Все крупнее детекторы, которые должны ее уловить. Все изощреннее методы, призванные заставить ее выдать себя.

Физики ждут от нейтрино ответа на главные вопросы об устройстве Вселенной. Почему материи в космосе больше, чем антиматерии, хотя в момент Большого взрыва они должны были образоваться в равных пропорциях? Как возникли галактики и их скопления?

«Борексино». Когда нейтрино сталкивается с электронами атомов органической жидкости, заполняющей стальной шар, возникает вспышка. Ее улавливают так называемые фотоумножители. С помощью этой установки высотой 18 и диаметром 19 метров ученые ловят прежде всего солнечные нейтрино. Перед строительством «Борексино» они протестировали технологию на уменьшенных прототипах

Роль этих эфемерных частиц в «жизнедеятельности» нашего мира трудно переоценить. «Если во Вселенной происходит что-то стоящее, в этом почти всегда замешаны нейтрино», — говорит Линдли Винслоу, специалист по физике из Массачусетского технологического института в американском Кембридже.

«Без нейтрино во Вселенной, скорее всего, не было бы ничего, кроме света. Ни материи, ни людей», — добавляет Манфред Линднер из Института ядерной физики Общества Макса Планка в немецком Гейдельберге.

История неуловимого нейтрино началась в минуту отчаяния. Не зная, как иначе объяснить загадочную потерю энергии при радиоактивном распаде, австрийский физик Вольфганг Паули в 1930 году сделал вывод о существовании еще не известной науке частицы.

Вскоре Паули стали терзать сомнения. «Сегодня я совершил ужасную вещь, совершенно недопустимую для физика-теоретика, — признавался он. — Я выдвинул гипотезу, которую никогда нельзя будет подтвердить или опровергнуть экспериментально». И действительно: как обнаружить элементарную частицу, которая намного легче других «кирпичиков» материи — электрона, протона, нейтрона — и к тому же не имеет электрического заряда.

В итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо более 2000 электронных «глаз» следят за происходящим в глубине детектора «Борексино»

К счастью, тут Паули ошибался. Физики смогли выследить призрачные частицы благодаря косвенным уликам — по эффектам, которые они вызывают. Когда нейтрино сталкивается с одним из составных элементов атома, могут возникать новые частицы, которые регистрирует детектор. Это похоже на игру в бильярд невидимым шаром. Мы знаем, что он есть, только потому, что от его удара разлетаются другие шары.

Современная модель Вселенной построена физиками из множества частей. И нейтрино — важная деталь пазла. Но парадоксальные свойства этой частицы намекают и на существование физических законов, выходящих за пределы имеющихся научных знаний. Это еще одна причина, по которой ученые охотятся на нее с таким азартом.

Поймать нейтрино — задача непростая. Хотя это вторая по распространенности элементарная частица во Вселенной после фотонов. Вездесущая, но малоконтактная. Обнаружить ее мешает в том числе поток частиц, постоянно бомбардирующих Землю из космоса и атмосферы. Вот почему охотники за нейтрино устраивают свои засады в толще скал, которые служат щитом от помех.

Гран-Сассо, зал C. Чудесное превращение

Автомобильная трасса А24, ведущая в сторону Рима, за 30 километров до Л’Акуилы ныряет в десятикилометровый туннель под горным массивом Гран-Сассо. Внутри горы через 3,5 километра — съезд в сторону, перегороженный шлагбаумом и пятиметровыми металлическими воротами. За ними — коридор с влажными шероховатыми стенами, ведущий в разветвленную систему подземных залов и галерей.

При строительстве шоссе инженеры проложили несколько дополнительных шахт в скальной толще. Они разрослись в крупнейшую в мире подземную лабораторию. Теперь здесь генеральный штаб охотников за нейтрино. На электронном табло под потолком коридора горят красные буквы INFN. За этой аббревиатурой скрывается Национальный институт ядерной физики, в состав которого входит лаборатория Гран-Сассо.

Детектор «Борексино» в зале C похож на огромный термос. Без малого 18 метров в высоту, почти 19 — в ширину. Чтобы осмотреть со всех сторон этот стальной бак в коконе из серебристого изолирующего материала, нужно протискиваться, прижимаясь к скальной стене.

«Борексино» сконструирован по принципу луковицы. Внутри гигантского резервуара, наполненного водой, подвешен стальной шар диаметром 14 метров. Внутри самого шара — примерно 1300 тонн так называемой сцинтиллирующей жидкости, органической субстанции, которая испускает слабые вспышки света при столкновении проходящих через нее нейтрино с электронами атомов. За происходящим следят 2212 фотоэлектронных умножителей. Они улавливают вспышки и преобразуют их в электрические сигналы.

Детектор предназначен прежде всего для регистрации солнечных нейтрино. Они образуются на Солнце в несметном количестве в процессе ядерного синтеза. Примерно 60 миллиардов таких частиц каждую секунду пронизывают пространство размером с ноготь большого пальца. Луна, заслоняющая нашу планету от Солнца в темное время суток, для них не помеха. Они проходят сквозь нее беспрепятственно, как солнечный луч через стекло.

Благодаря «Борексино» и другим экспериментам ученые установили, что нейтрино обладают удивительным свойством — они могут видоизменяться прямо в полете. Существует как минимум три типа этих частиц: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Причем они с легкостью переходят из одной ипостаси в другую. И отличить их можно только по массе.

Идея изменчивости нейтрино впервые возникла у итальянского физика Бруно Понтекорво в 1957 году. Тогда это была чистая теория. Ученые только-только доказали, что нейтрино вообще существуют. Об экспериментальном подтверждении нечего было и думать.

Когда в 1960-е впервые удалось массово зарегистрировать солнечные нейтрино, исследователи обнаружили в своем «улове» лишь треть расчетного числа частиц. Куда делись остальные?

Ответить на этот вопрос удалось только в двухтысячные. По пути к Земле электронные нейтрино, рожденные в раскаленном сердце Солнца, превращаются в мюонные и тау-нейтрино. Детекторы, которые используют для регистрации этих загадочных частиц, поначалу улавливали только электронные нейтрино, пропуская остальные. Отсюда и «недостача». Детекторы следующего поколения помогли обнаружить и два других типа частиц, исходящих от Солнца.

Раз нейтрино могут переходить из одного состояния в другое, значит у них должна быть масса. Какой сюрприз для ученых! Долгое время считалось аксиомой, что эти элементарные частицы вообще невесомы. Все остальное противоречило Стандартной модели физики. А ее выстраивали десятки лет по кирпичику, как большое здание, вместившее в себя объяснение всех явлений материального мира. Но нейтрино существуют в другом, странном мире квантов, где царят свои законы. Там превращение одной частицы в другую — обычное дело.

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Чистое дыхание Чистое дыхание

Качество воздуха в мегаполисах оставляет желать лучшего

GEO, апрель'18
Тренды Тренды

Новости науки

Русский репортер, сентябрь'19
Грузи меня, олень Грузи меня, олень

Художники выбирают произведение искусства и объясняют, как на него смотреть

Esquire, сентябрь'19
15 мыслей Фанни Ардан 15 мыслей Фанни Ардан

Фанни Ардан вспоминает своих любимых мужчин: Депардье, Пруста и Франсуа Трюффо

GQ, апрель'18
Объехать Землю за 92 часа: новый рекорд в книге Гиннесса Объехать Землю за 92 часа: новый рекорд в книге Гиннесса

Они смогли посетить все континенты Земли менее чем за сто часов

National Geographic, март'18
«Зритель избалован, его ничем уже не удивишь» «Зритель избалован, его ничем уже не удивишь»

Беседа c Сергеем Лукьяненко

Мир Фантастики, март'18
Beauty. Виза Beauty. Виза

Три парижских отеля с дворцовым прошлым за один приезд

SNC, март'18
Полет валькирии Полет валькирии

Телеведущая Елена Летучая примеряет образ кинодивы 1950-х годов

Esquire, март'18
Алексей Герман Мл. Алексей Герман Мл.

Как и для чего Алексей Герман-младший снял кино про Сергея Довлатова

Maxim, март'18
Стильная мира сего Стильная мира сего

Анна Чиповская примеряет образ сильной женщины

Glamour, март'18
О вкусном и питательном дыхании О вкусном и питательном дыхании

Европейский зеленый краб научился поглощать питательные вещества жабрами

GEO, март'18
Что ожидать от Недели моды в Париже осень-зима 2018 Что ожидать от Недели моды в Париже осень-зима 2018

Рассказываем, за кем следить и какие события точно нельзя пропустить

Vogue, февраль'18
Компас пульса планеты Компас пульса планеты

То, что происходит в мире легко раскладывается по осям

Maxim, март'18
«В следующий раз я ошибусь лучше» «В следующий раз я ошибусь лучше»

На какую Италию делает ставку Маттео Ренци

Огонёк, февраль'18
Познер Познер

Откровенный разговор с Владимиром Познером

Men’s Health, март'18
Модель дома Модель дома

Удивив всех, Поппи Делевинь переехала жить на тихую окраину

Vogue, март'18
Бухта Халонг, Вьетнам Бухта Халонг, Вьетнам

Перед тобой одна из стран, в которую еще можно выезжать любому россиянину

Maxim, март'18
Меган-звезда Меган-звезда

Ослепительно красивая, умная, бесстрашная... У Меган Фокс много достоинств

Cosmopolitan, март'18
Игры, в которые играют люди Игры, в которые играют люди

7 главных историй Олимпиады в Пхенчхане

Русский репортер, февраль'18
Таллин: дигитальная столица Таллин: дигитальная столица

Природа и технологии — два кита, на которых стоит крошечная Эстония

GEO, март'18
Где рожать? Советы по выбору роддома и врача Где рожать? Советы по выбору роддома и врача

Пора задуматься, где пройдут роды и какой врач будет рядом с вами

9 месяцев, февраль'18
О чем говорить с мужчиной О чем говорить с мужчиной

Фотосессия Ростислава Хаита из «Квартета И» и его девушки Ольги Рыжковой

OK!, февраль'18
За миллиард лет до 8 марта За миллиард лет до 8 марта

Какие праздники женщины придумали для себя и отмечали тайком от мужчин

Maxim, март'18
Что носили мужчины на этой неделе Что носили мужчины на этой неделе

Кроссовки, меховые воротники, принты и никаких смокингов

GQ, февраль'18
Что показал Кристофер Бейли в своей последней коллекции для Burberry Что показал Кристофер Бейли в своей последней коллекции для Burberry

Кому посвятил коллекцию для Burberry Кристофер Бейли

GQ, февраль'18
Будь готов, генацвале! Будь готов, генацвале!

Знакомимся с культурными, кулинарными и историческими традициями Грузии

Quattroruote, март'18
Маск vs Zombies Маск vs Zombies

Смогут ли творения изобретателя спасти человечество от зомби-апокалипсиса?

Игромания, март'18
Картинки с выставки Картинки с выставки

Квартира в Санкт-Петербурге с комнатами-достопримечательностями Северной столицы

AD, март'18
В постели с врагом В постели с врагом

Какие привычки больше всего раздражают нас (и их) в постели

Cosmopolitan, март'18
Евгения Кондрашина. Три последние секунды Евгения Кондрашина. Три последние секунды

О фильме "Движение вверх" и о том, как все было на самом деле

Караван историй, март'18