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, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Остров мифов Остров мифов

Бали затерян среди тысяч островов крупнейшего в мире Индонезийского архипелага

GEO
Как по-модному провести «весенние» праздничные выходные в Москве Как по-модному провести «весенние» праздничные выходные в Москве

На выставке Верещагина, во флоатинг-кушетке и с дюжиной устриц

Vogue
Полярник на Луне Полярник на Луне

Российские ученые готовят новый поход в суровые края близ полюса... лунного

Популярная механика
Что делать, чтобы не постареть так же быстро, как Крис Пайн Что делать, чтобы не постареть так же быстро, как Крис Пайн

Годы могут пролететь незаметно для вас, но не для вашего лица

GQ
Экзамен по жизни Экзамен по жизни

Став взрослыми, мы то и дело сталкиваемся с различными испытаниями

Psychologies
Венский салон в Москве Венский салон в Москве

На один вечер Венский дом на Плющихе погрузился в атмосферу высокого эстетизма

СНОБ
Girl Power Girl Power

Хоккеистки Молодежной сборной из клуба «Торнадо»

OK!
В плену стереотипов: почему рекрутеры не нанимают лучших сотрудников В плену стереотипов: почему рекрутеры не нанимают лучших сотрудников

Сфера HR в России полна предрассудков, которые влияют на подбор кадров

Forbes
Политизация траура Политизация траура

Как акции памяти погибших в Кемерове стали пространством для политической борьбы

СНОБ
Русский бунт: жители Волоколамска бросают вызов власти Русский бунт: жители Волоколамска бросают вызов власти

Решение о создании единой управляющей структуры для Москвы и области назрело

Forbes
Школьная учительница бросилась с Ниагарского водопада в бочке Школьная учительница бросилась с Ниагарского водопада в бочке

Чтобы завоевать себе славу, Анна Эдсон решила пойти на отчаянный поступок

Cosmopolitan
Двойная игра. Обвалят ли рубль решения ФРС и Банка России Двойная игра. Обвалят ли рубль решения ФРС и Банка России

Для курса рубля ситуация на нефтяном рынке по-прежнему важна

Forbes
Яна — Женя Яна — Женя

Встречайте Яну Рудковскую и Евгения Плющенко в стиле дарк-поп

L’Officiel
Роберт Паттинсон одевается нереально круто. Вот 20 доказательств Роберт Паттинсон одевается нереально круто. Вот 20 доказательств

Одевается Паттинсон все еще как сексуальный хищник

GQ
Базовый гардероб: за и против Базовый гардероб: за и против

Что делать, чтобы не оказаться в универсальном модном тупике

Cosmopolitan
Потерянное покорение Потерянное покорение

Леденящая до самых потрохов легенда о сгинувшей полярной экспедиции

Maxim
Добавь огня Добавь огня

Оборудуй уютную и теплую зону с камином

Лиза
Держитесь за баранку. В России подорожают машины и появятся новые штрафы Держитесь за баранку. В России подорожают машины и появятся новые штрафы

Весной цены на автомобили вырастут из-за изменения ставок утилизационного сбора

Forbes
Виртуальная реальность Марины Абрамович Виртуальная реальность Марины Абрамович

Сегодня на Art Basel в Гонконге художница показывает свой первый VR-перформанс

Vogue
Культурная нейронаука Культурная нейронаука

Как прогресс меняет нашу психику и мозг

Русский репортер
Модное родео: 15 способов Модное родео: 15 способов

Как одеться в стиле Дикого Запада

Cosmopolitan
«Это ведь не боевые действия». Путин прилетел в Кемерово на место трагедии «Это ведь не боевые действия». Путин прилетел в Кемерово на место трагедии

Во время пожара в ТЦ «Зимняя вишня» погибли не менее 64 человек

Forbes
6 простых шагов к идеальному сну 6 простых шагов к идеальному сну

Рассказываем, как отрегулировать режим сна

Esquire
Погоня за KPI: как работают преступники в белых воротничках Погоня за KPI: как работают преступники в белых воротничках

Если выполнить KPI не удается, в ход идут современные схемы «решения проблем»

Forbes
Леся Кафельникова рассказала о наркозависимости и суициде на шоу «Пусть говорят» Леся Кафельникова рассказала о наркозависимости и суициде на шоу «Пусть говорят»

История дочери теннисиста Евгения Кафельникова

Cosmopolitan
«Не бояться быть собой — самый большой риск» «Не бояться быть собой — самый большой риск»

Интервью Вадима Верника с Венсаном Касселем

OK!
Вы отказались от мяса. А этично ли допустить вымирание коров? Вы отказались от мяса. А этично ли допустить вымирание коров?

Какой должна быть судьба коров как вида, если есть этих животных станет неэтично

СНОБ
Между ними тает лед Между ними тает лед

Самые дорогие команды НХЛ, по оценке Forbes

Forbes
Режиссер интерьера Режиссер интерьера

В гостях у выдающегося парижского декоратора Шахана Минассяна

The Rake
История насосного производства, или введение в датские технологии История насосного производства, или введение в датские технологии

Чем известна Дания? Подходом к производству водяных насосов!

Популярная механика
Открыть в приложении