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, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Грусть агавы Грусть агавы

Мексиканскую текилу придумали и возвысили иностранцы

Вокруг света
Женщинам Саудовской Аравии разрешено отказаться от традиционного одеяния – черной абайи Женщинам Саудовской Аравии разрешено отказаться от традиционного одеяния – черной абайи

В результате недавних реформ женщины Саудовской Аравии получили новые права

National Geographic
Офшоры, деньги, три топора Офшоры, деньги, три топора

Как работает бизнес запрещенного в России онлайн-казино Azino777

РБК
Одеться как героиня фильма Уэса Андерсона Одеться как героиня фильма Уэса Андерсона

Одежда романтичных и рисковых девушек, которым море по колено и горы по плечо

Vogue
Топ-12: главные цвета весны и лета 2018 года Топ-12: главные цвета весны и лета 2018 года

Какие цвета нужно выбирать в новом сезоне

Cosmopolitan
Чего-то не хватает Чего-то не хватает

Современные россияне, как правило, недовольны своей интимной жизнью

Glamour
Реновация Реновация

Письмо редактора

Maxim
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
5 редких ретрофотографий, которые хочется рассматривать снова и снова 5 редких ретрофотографий, которые хочется рассматривать снова и снова

Эти фотографии актуальны не только сегодня

Maxim
Клык с бриллиантом и золотая челюсть: самые странные Клык с бриллиантом и золотая челюсть: самые странные

Украшение на зубы – непременный атрибут у примитивных народов

Cosmopolitan
В Москве появились дикие животные В Москве появились дикие животные

Исчезновение естественной среды обитания вынуждает зверей приходить в города

National Geographic
5 способов сэкономить за границей 5 способов сэкономить за границей

Как сэкономить на простых вещах, не потеряв при этом в комфорте

Cosmopolitan
Кук и гик Кук и гик

Знакомимся с Оливией Кук, которая играет главную роль в новом фильме Спилберга

Vogue
Температурные контрасты России: как зима сталкивается с весной Температурные контрасты России: как зима сталкивается с весной

В эти дни в разных частях России фиксируется значительный контраст температур

National Geographic
Длинноухое чудо из пустыни Гоби Длинноухое чудо из пустыни Гоби

Самое ушастое существо на Земле

National Geographic
Нервы шалят! Почему я срываюсь? Нервы шалят! Почему я срываюсь?

Как справиться с расшалившимися нервами

9 месяцев
«Поощряйте их бунт. Они — наши лучшие союзники» «Поощряйте их бунт. Они — наши лучшие союзники»

Школьный учитель ради эксперимента установила в классе тоталитарный режим

Esquire
Евангелие от сельдерея Евангелие от сельдерея

Орторексия – болезненная зависимость от здоровой еды

Maxim
Режиссер интерьера Режиссер интерьера

В гостях у выдающегося парижского декоратора Шахана Минассяна

The Rake
Херон Престон: «Я хотел пригласить Путина на свою вечеринку и выпить с ним водки» Херон Престон: «Я хотел пригласить Путина на свою вечеринку и выпить с ним водки»

Дизайнер рассказал Vogue о запуске новой капсульной коллекции

Vogue
Превозмогая невозможное: 5 историй спортсменок, которые вернулись после травм Превозмогая невозможное: 5 историй спортсменок, которые вернулись после травм

Эти девушки – пример невероятной силы духа, целеустремленности и веры в себя

Cosmopolitan
Пингвинье дупло Пингвинье дупло

Нора не всегда означает, что там кролик и хорошая компания

Maxim
За что мы любим Юбера де Живанши За что мы любим Юбера де Живанши

10 марта не стало Юбера де Живанши

Esquire
Действуем по ситуации Действуем по ситуации

Когда статус «Все сложно» соответствует вашим отношениям

Cosmopolitan
Нарядный выход Нарядный выход

Оригинальная идея подачи яиц к праздничному пасхальному столу

Лиза
12 апостолов: «Футляр от виолончели» 12 апостолов: «Футляр от виолончели»

Телеграм-канал, который отслеживает всю систему координат

Esquire
Трагедия в Кемерове: что известно о владельцах «Зимней вишни» Трагедия в Кемерове: что известно о владельцах «Зимней вишни»

В пожаре погибли не менее 64 человек, в больницах находятся 11 пострадавших

Forbes
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

Можно ли обойтись без таких привычных элементов самолета, как рули и элероны?

Популярная механика
«КАСТА»: группа, которую «просто тихо любят» «КАСТА»: группа, которую «просто тихо любят»

«Каста» о том, как им удается оставаться актуальными, не изменяя самим себе

Esquire
Кэмбридж представляет: самый белый материал в мире Кэмбридж представляет: самый белый материал в мире

Международная группа ученых разработала самый белый в мире материал

National Geographic
Открыть в приложении