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

Арктическую Сибирь объединили собачьи упряжки Арктическую Сибирь объединили собачьи упряжки

Собачьи упряжки используют в Восточно-Сибирской Арктике уже 9 тысяч лет

Наука и жизнь
«Не продавай свою душу дешево»: чему учит стоицизм, по которому сходит с ума Кремниевая долина «Не продавай свою душу дешево»: чему учит стоицизм, по которому сходит с ума Кремниевая долина

Идеи античных философов стали невероятно популярными среди предпринимателей

Forbes
Земля на стыке гипотез Земля на стыке гипотез

Земля в процессе своего развития расширялась или сжималась?

Знание – сила
Негромкие песни Севера Негромкие песни Севера

Квартира, сочетающая в себе природные мотивы и эстетику функционализма

Идеи Вашего Дома
Как мы переживали Как мы переживали

Суббота 23 ноября 1963 была рабочим днём, радио выдавало новость за новостью...

Дилетант
Скатертью дорожка Скатертью дорожка

Руководство по обустройству тропинок на дачном участке

Лиза
6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты 6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты

То, что вы точно не знали о «Властелине колец»

Maxim
Путешествуем дома: как государства сопротивляются краху туристической отрасли Путешествуем дома: как государства сопротивляются краху туристической отрасли

Что происходит с туристической отраслью и как развивается внутренний туризм

Forbes
Как сэкономить на врачах Как сэкономить на врачах

Ежедневные процедуры, которые сэкономят ваши деньги

Здоровье
Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов

Способы справиться с севшим автомобильным аккумулятором

РБК
«Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации «Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации

Женщины-адвокаты — о гендерных стереотипах и несовершенствах судебной системы

Forbes
Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи

Чем отличаются UVA и UVB лучи друг от друга? И есть ли другие типы лучей?

Популярная механика
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
Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов

Женщины имеют право быть трусливыми. Вот как они этим правом распоряжаются

Maxim
Устройство советского атомного ядра Устройство советского атомного ядра

Дмитрий Бутрин о фильме «Сахаров. Две жизни»

Weekend
Близкая карликовая галактика оказалась похожа на галактики молодой Вселенной Близкая карликовая галактика оказалась похожа на галактики молодой Вселенной

Карликовая галактика поможет изучить процессы, происходившие во Вселенной

N+1
На сладкое На сладкое

Сахар и его заменители: ищем правильный баланс

Лиза
6 неприятных чувств, которые сопровождают нас на пути к счастью 6 неприятных чувств, которые сопровождают нас на пути к счастью

Наша героиня пережила анорексию, депрессию и абьюзивные отношения

Psychologies
10 сцен из советского кино, которые поймут только взрослые 10 сцен из советского кино, которые поймут только взрослые

Эти сцены из кино, которые поймут только люди, жившие в СССР

Psychologies
Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»? Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»?

Почему мужчины легко позволяют себе переходить «ты»?

Psychologies
Ученые назвали худший год в истории человечества Ученые назвали худший год в истории человечества

Как выглядел настоящий конец света, и откуда, собственно, пошло это выражение

Maxim
«Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser «Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser

Sennheiser пришлось бороться с Beats, Sony и Apple в сфере качества звука

VC.RU
Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция

Культура в России продолжает «сворачиваться» по воле властей

СНОБ
Страдал от бессонницы, но создал многомиллионный бизнес на подушках: история MyPillow и её основателя Майкла Линделла Страдал от бессонницы, но создал многомиллионный бизнес на подушках: история MyPillow и её основателя Майкла Линделла

Как Майкл Линделл создал империю по производству подушек

VC.RU
Истребители пятого поколения успешно осуществили связь с помощью разведчика U-2 Истребители пятого поколения успешно осуществили связь с помощью разведчика U-2

Инженеры смогли наладить коммуникацию между истребителями пятого поколения

Популярная механика
Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть

Список отличных сериалов, похожих на «Великолепный век»

Cosmopolitan
Респектабельный центр Респектабельный центр

Апартаменты, в которых сочетаются респектабельные традиции и современные решения

Идеи Вашего Дома
Исследование: сотрудники-звезды снижают эффективность команд Исследование: сотрудники-звезды снижают эффективность команд

Звезды в коллективе могут стать как благом, так и проклятием

Inc.
Тернистый путь: ​почему «честный бизнес» актрисы Джессики Альбы на подгузниках и салфетках не взлетел Тернистый путь: ​почему «честный бизнес» актрисы Джессики Альбы на подгузниках и салфетках не взлетел

Почему не стоит покупать акции бренда Джессики Альбы

Forbes
Домино за 723 тысячи и другие вещи с неожиданными ценами Домино за 723 тысячи и другие вещи с неожиданными ценами

Модные дома могут обыграть вещи так, что они прибавят в цене пару нолей

РБК
Открыть в приложении