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

Терруар: зазеркалье Терруар: зазеркалье

Российское виноделие переживает второе рождение

Вокруг света
Повышение тарифов, навязанные услуги и торговля в кредит: от чего договор с брокерами не защищает инвесторов Повышение тарифов, навязанные услуги и торговля в кредит: от чего договор с брокерами не защищает инвесторов

Большинство договоров с инвесторами защищает исключительно права брокера

Forbes
Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах! Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах!

Стюардессы являются главным объектом мужских фантазий

Maxim
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Почему пары распадаются после психотерапии? Почему пары распадаются после психотерапии?

Один из партнеров начинает психотерапию и подает на развод — знакомая ситуация?

Psychologies
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки

Понимание того, как мозг контролирует действия, важно для разработки протезов

Популярная механика
Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
#гардероб: как стиль Роберта Паттинсона помог ему в карьере #гардероб: как стиль Роберта Паттинсона помог ему в карьере

Как одежда помогла Роберту Паттинсону сменить амплуа

РБК
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Ожидание и реальность: как машины выглядели на скетчах и что получилось Ожидание и реальность: как машины выглядели на скетчах и что получилось

Часто серийные машины сильно отличаются от дизайнерских рисунков

РБК
Почему комары кусают не всех Почему комары кусают не всех

Комары кусают не всех — это факт

Наука и жизнь
Григорий Чухрай. Баллада о солдате Григорий Чухрай. Баллада о солдате

Каким был Григорий Чухрай? Рассказывают его сын и дочь

Караван историй
Личное дело Натана Стругацкого Личное дело Натана Стругацкого

В архиве РНБ (бывшая Публичка) обнаружили личное дело Натана Стругацкого

Дилетант
Квантование электрического заряда измерили линейкой Квантование электрического заряда измерили линейкой

Физики заставили каплю масла левитировать в оптической ловушке малой жесткости

N+1
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Дорого и несчастливо: открытые браки и сложные разводы миллиардеров из списка Forbes Дорого и несчастливо: открытые браки и сложные разводы миллиардеров из списка Forbes

Как встречались, жили и расходились американские пары с крупными состояниями

Forbes
Профессор Эйнштейн. Распространённые ошибки его биографов Профессор Эйнштейн. Распространённые ошибки его биографов

Рассказывать о жизни Эйнштейна часто берутся люди, слабо знакомые с предметом

Наука и жизнь
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Развилки 20-х: почему только повышение зарплат и пенсий не обеспечит нужные темпы экономического роста Развилки 20-х: почему только повышение зарплат и пенсий не обеспечит нужные темпы экономического роста

При выборе экономической политики возможны два пути

Forbes
«Нет смысла сидеть в России»: как сооснователь Starta Ventures Алексей Гирин помогает стартапам развиваться в США «Нет смысла сидеть в России»: как сооснователь Starta Ventures Алексей Гирин помогает стартапам развиваться в США

Почему Алексей Гирин разочаровался в масштабах венчурного бизнеса в России

Forbes
Выходные для мамы: борщ, мошенники и родительский чат Выходные для мамы: борщ, мошенники и родительский чат

Каждая мать знает, как сложно найти время на себя в круговерти ежедневных дел

Psychologies
5 главных ошибок в ведении бюджетa: обнаружить и исправить 5 главных ошибок в ведении бюджетa: обнаружить и исправить

Как избежать самых распространенных ошибок в ведении бюджета

Psychologies
«Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса «Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса

Джим Рикс придумал звуки щелчка камеры iPhone и приветствия Mac

VC.RU
«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
Думали, не заметим? Звездные мужчины, которые делают татуаж Думали, не заметим? Звездные мужчины, которые делают татуаж

Считаешь, что перманентный макияж — исключительно женская процедура?

Cosmopolitan
Надел мамино пальто и пошел в школу: самые громкие шутинги в России Надел мамино пальто и пошел в школу: самые громкие шутинги в России

Похоже, что лучше всего безопасность в школах обеспечат удаленка и каникулы

Maxim
Как выглядел настоящий Хатико: редкие фотографии Как выглядел настоящий Хатико: редкие фотографии

Фотографии Хатико. Тот самый пес, который почти десять лет ждал своего хозяина

Maxim
«‎Завтра вы удивитесь, что я сделаю». Как совершали и предотвращали «колумбайны‎»‎ в России «‎Завтра вы удивитесь, что я сделаю». Как совершали и предотвращали «колумбайны‎»‎ в России

Как российская правоохранительная система предотвращает шутинги в школах

СНОБ
Открыть в приложении