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

«Мне не в чем оправдываться» «Мне не в чем оправдываться»

26 декабря 2020 года в возрасте 98 лет ушёл из жизни Джордж Блейк

Дилетант
Секс-суррогаты. Как устроена сфера сексуальных терапевтических услуг Секс-суррогаты. Как устроена сфера сексуальных терапевтических услуг

Кому и как помогают суррогаты для секса?

СНОБ
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Древнейшее изображение гориллы за пределами Африки нашли на шелковой миниатюре Древнейшее изображение гориллы за пределами Африки нашли на шелковой миниатюре

Древнейшее изображение гориллы, найденное за пределами Африки

N+1
За черным пнем За черным пнем

Как живут люди и овцы в австралийской пустоши

Вокруг света
Повзрослевший МС Сенечка – о своем новом альбоме «Космически земное приключение» Повзрослевший МС Сенечка – о своем новом альбоме «Космически земное приключение»

МС Сенечка рассказывает о треках из своего нового альбома

GQ
Кантемиры Кантемиры

Дмитрий Кантемир считался одним из образованнейших людей своего времени

Дилетант
Между своим делом и уголовным все меньше разницы Между своим делом и уголовным все меньше разницы

80% российских бизнесменов считают, что не защищены от уголовного преследования

РБК
Меняю автомат на беспилотник Меняю автомат на беспилотник

Первое боестолкновение, где решающую роль сыграли беспилотные дроны

Популярная механика
Разделяй и властвуй Разделяй и властвуй

Не важно, какого размера квартира, — для комфорта ее надо разделить на зоны

AD
Кубик Осипова Кубик Осипова

Самая ожидаемая и самая крутая головоломка десятилетия

Популярная механика
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
Родила - и надела бикини! Как выглядят Перри, Шубская и другие звездные мамочки Родила - и надела бикини! Как выглядят Перри, Шубская и другие звездные мамочки

Многие модели и актрисы быстро вернулись в форму после того, как стали мамами

Cosmopolitan
Без меня меня отсняли: что не так с сериалом Без меня меня отсняли: что не так с сериалом

Мини-сериал «Холстон» — байопик о модельере Рое Холстоне

Esquire
Британцы разработали назальный спрей для лечения болезни Паркинсона Британцы разработали назальный спрей для лечения болезни Паркинсона

Ученые нашли новый более эффективный способ терапии болезни Паркинсона

N+1
Первая одежда ребенка: правила выбора Первая одежда ребенка: правила выбора

Какой же минимум вещей понадобится малышу в первые месяцы?

9 месяцев
Место под солнцем Место под солнцем

Когда Россия перейдет с угля и газа на возобновляемые источники энергии

РБК
Возвращение волков в штат Висконсин снизило число ДТП с участием оленей Возвращение волков в штат Висконсин снизило число ДТП с участием оленей

Волки регулируют численность оленей и заставляют их реже выходить на дороги

N+1
5 книг выдающегося психолога современности 5 книг выдающегося психолога современности

Лучшие книги Роберта Лихи, которые помогут победить тревожность

Популярная механика
Родила вне брака и пережила травлю: личные драмы Кристины Орбакайте Родила вне брака и пережила травлю: личные драмы Кристины Орбакайте

Непростой путь Кристины Орбакайте к счастью и гармонии

Cosmopolitan
Из официанток в жены звезд: Из официанток в жены звезд:

Встретить богатого и знаменитого можно, даже если ты работаешь официанткой

Cosmopolitan
Накопительный эффект Накопительный эффект

Как детей в разном возрасте учить финансовой грамотности

OK!
Между диагнозом и справкой Между диагнозом и справкой

Шесть вопросов о деле «казанского стрелка»

РБК
Буллинг, хейт, погоня за лайками: чем опасны соцсети и как защитить себя? Буллинг, хейт, погоня за лайками: чем опасны соцсети и как защитить себя?

Соцсети стали нашей второй реальностью

Cosmopolitan
Время на скорость не равно пути Время на скорость не равно пути

Транспортная доступность Белгородской и Иркутской областей

Эксперт
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Союз нерушимый Союз нерушимый

Кто и как превратил студию «Союзмультфильм» в модный бренд

GQ
Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США

DarkSide стала одной из крупнейших и авторитетных хакерских организаций в мире

VC.RU
Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер» Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер»

Как сложилась личная жизнь артистов из сериала «Триггер»

Cosmopolitan
Огуречная диета: польза, риски и отзывы врача Огуречная диета: польза, риски и отзывы врача

Что будет, если есть только огурцы?

РБК
Открыть в приложении