Нобелевская премия 2015 года вручена за “открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой”
В 1998 году Такааки Каджиита (Takaaki Kajita), участник в то время коллаборации Super-Kamiokande, представил данные, демонстрирующие исчезновение атмосферных мю-нейтрино, то есть нейтрино, образованных при прохождении космических лучей через атмосферу, на пути их полета к детектору. В 2001 году Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald), руководитель Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, опубликовал доказательства превращения солнечных электронных нейтрино в мю- и тау-нейтрино. Эти открытия имели большое значение и ознаменовали прорыв в физике элементарных частиц. Нейтринные осцилляции и взаимосвязанные вопросы природы нейтрино, массы нейтрино и возможности нарушения симметрии зарядового соотношения лептонов – это важнейшие на сегодняшний день вопросы космологии и физики элементарных частиц.
Мы живем в мире нейтрино. Тысячи миллиардов нейтрино “протекают” через наше тело каждую секунду. Их нельзя увидеть и нельзя почувствовать. Нейтрино проносятся через пространство почти со скоростью света и практически не взаимодействуют с веществом. Существует огромное количество источников нейтрино как в космосе, так и на Земле. Часть нейтрино родилась в результате Большого Взрыва. А сейчас источники нейтрино - это и взрывы супер новых звезд, и распад звездных супергигантов, а также радиоактивные реакции на атомных электростанция и процессы естественного радиоактивного распада в природе. Таким образом, нейтрино это вторые по численности элементарные частицы после фотонов, частиц света. Но несмотря на это, долгое время их существование не было определено.
Возможность существования нейтрино была предложена австрийским физиком Вольфгангом Паули как попытка объяснить превращение энергии при бета-распаде (вид радиоактивного распада атома с излучением электронов). В декабре 1930 года он предположил, что часть энергии забирает с собой электрически нейтральная, слабовзаимодействующая частица с очень малой массой (возможно, безмассовая). Сам Паули верил в существование такой частицы, но вместе с тем, он понимал как трудно обнаружить частицу с такими параметрами методами экспериментальной физики. Он писал об этом: “Я совершил ужасную вещь, я постулировал существование частицы, которая не может быть обнаружена“. В скором времени, после открытия в 1932 году массивной, сильновзаимодействующей частицы, похожей на протон, но только нейтральной (часть атома - нейтрон) итальянский физик Энрико Ферми предложил неуловимую элементарную частицу Паули назвать – нейтрино.
Возможность обнаружить нейтрино появилась только в конце 50х годов, когда было построено большое количество атомных электростанций и поток нейтрино значительно возрос. В 1956 году Ф. Райнс (также в последствии лауреат Нобелевской премии 1995 года) провел эксперимент по реализации идеи советского физика Б.М. Понтекорво по детектированию нейтрино и антинейтрино на ядерном реакторе в Южной Королине. В результате он отправил телеграмму Вольфгангу Паули (всего за год до его смерти), в которой сообщал, что нейтрино оставили следы в их детекторе. А уже в 1957 году Б.М. Понтекорво опубликовал ещё одну пионерскую работу по нейтрино, в которой первым выдвинул идею осцилляций нейтрино.
С 60х годов ученые активно стали развивать новое научное направление – нейтринную астрономию. Одна из задач состояла в том, чтобы подсчитать количество нейтрино, родившихся в результате ядерных реакций на Солнце. Но попытки зарегистрировать расчетное количество нейтрино на Земле показывали, что отсутствует примерно две третьих нейтрино! Конечно, могли быть ошибки в произведенных расчетах. Но одно из возможных решений заключалось в том, что часть нейтрино изменяли свой тип. В соответствии с действующей сегодня в физике элементарных частиц Стандартной Моделью (рисунок 1), существует три типа нейтрино – электронные нейтрино, мю-нейтрино и тау-нейтрино.
Рисунок 1 - Станда́ртная моде́ль - теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Содержит 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)
Каждому типу нейтрино соответствует его заряженный партнер – электрон, и две других более тяжелых, обладающих меньшим временем жизни частицы - мюон и тау-лептон. В результате ядерных реакций на Солнце происходит рождение только электронных нейтрино и недостающие нейтрино могли бы быть найдены, если бы по пути на Землю электронные нейтрино могли превращаться в мю-нейтрино и тау-нейтрино.
Поиски нейтрино глубоко под землей
Поиск нейтрино ведется непрерывно, днем и ночью, на установках колоссального размера, построенных глубоко под землей для экранирования посторонних шумов, создаваемых космическим излучением и спонтанными радиоактивными реакциями в окружающей среде. Очень тяжело отличить сигналы нескольких настоящих солнечных нейтрино от миллиардов ложных.
Нейтронная обсерватория Super-Kamiokande построена в 1996 году под горой Kamioka в 250 км на северо-запад от Токио. Другая обсерватория Sudbury Neutrino Observatory (SNO) была построена в 1999 году в никелевом руднике вблизи Онтарио.
Рисунок 2 – Super-Kamiokande – это детектор атмосферных нейтрино. Когда нейтрино взаимодействует с водой, образуется электрически заряженная частица. Это приводит к возникновению излучения Черенкова-Вавилова, которое регистрируется детекторами света. Форма и интенсивность спектра излучения Черенкова-Вавилова позволяет определить тип частицы и откуда она прилетела.
Super-Kamiokande – это гигантский детектор, построенный на глубине 1000 метров. Он состоит из бака размерами 40 на 40 метров, заполненного 50 000 тонн воды. Вода в баке такой чистоты, что свет может пройти расстояние в 70 метров, прежде чем его интенсивность уменьшится в два раза. В обычном бассейне для плавания это расстояние составляет всего пару метров. По сторонам бака, на его верхней и нижней частях расположено 11 000 детекторов света, позволяющие зарегистрировать малейшую вспышку света в воде. Большое количество нейтрино проходит сквозь бак с водой, но только некоторые из них взаимодействуют с атомами и/или электронами с образованием электрически заряженных частиц. Мюон образуются из мю-нейтрино и электроны из электронных нейтрино. Вокруг образованных заряженных частиц образуются вспышки голубого света. Это, так называемое, излучение Черенкова-Вавилова, которое возникает при движении заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. И это не противоречит теории Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться со скоростью выше скорости света в вакууме. В воде скорость света составляет только 70 % от скорости света в вакууме и, поэтому, может перекрыта скоростью движения заряженной частицы.
При прохождении космического излучения через слои атмосферы рождается большое количество мю-нейтрино, которым необходимо пройти до детектора путь лишь в несколько десятков километров. Super-Kamiokande может детектировать мю-нейтрино приходящие прямо из атмосферы, а также те нейтрино, которые попадают на детектор с обратной стороны, проходя сквозь всю толщу земного шара. Ожидалось, что количество мю-нейтрино детектируемых в двух направлениях будет одинаковым, ведь толща земли не представляет для нейтрино какой-либо преграды. Однако, количество нейтрино попадающих на Super-Kamiokande прямо из атмосферы было значительно больше. Количество же электронных нейтрино приходящих в обоих направлениях не отличалось. Получается, что та часть мю-нейтрино, которая проходила больший путь сквозь толщу земли, скорее всего превращалась каким-то образом в тау-нейтрино. Однако, зарегистрировать данные превращения напрямую в обсерватории Super-Kamiokande было невозможно.
Чтобы получить окончательный ответ на вопрос о возможности нейтринных превращений или нейтринных осцилляций был реализован еще один эксперимент во второй нейтринной обсерватории Sudbury Neutrino Observatory (рисунок 3). Она была построена на глубине 2000 метров под землей и оснащена 9500 детекторов света. Обсерватория предназначена для детектирования именно солнечных нейтрино, энергия которых значительно меньше, чем рожденных в слоях атмосферы. Бак заполнялся не просто очищенной водой, а тяжелой водой, в которой каждый атом водорода в молекуле воды имеет дополнительный нейтрон. Таким образом, вероятность взаимодействия нейтринно с тяжелыми атомами водорода значительно выше. Кроме того, наличие тяжелых ядер позволяет нейтрино взаимодействовать с протеканием других ядерных реакций, а следовательно, будут наблюдаться световые вспышки другой интенсивности. Некоторые типы реакций позволяют детектировать все типы нейтрино, но к сожалению, не позволяют точно отличить один тип от другого.
Рисунок 3 – Sudbury Neutrino Observatory – это детектор солнечных нейтрино. Реакции между тяжелыми ядрами водорода и нейтрино дают возможность регистрировать как только электронные нейтрино, так и все типы нейтрино одновременно. (иллюстрации 2 и 3 с сайта нобелевского комитета nobelprize.org и шведской академии наук kva.se)
После начала эксперимента обсерватория детектировала 3 нейтрино в день из 60 миллиардов нейтрино через 1 см2, прилетающих на Землю от Солнца. И все равно это было в 3 раза меньше расчетного количества электронных солнечных нейтрино. Суммарное же количество всех типов нейтрино, задетектированных в обсерватории, с высокой точностью соответствовало ожидаемому числу нейтрино, испускаемых Солнцем. Обобщение экспериментальных результатов двух нейтринных обсерваторий, теории предложенной Понтекорво о принципиальной возможности нейтринных осцилляций позволило доказать существование нейтринных превращений на пути от Солнца на Землю. В этих двух обсерваториях Super-Kamiokande и Sudbury Neutrino Observatory впервые были получены описанные результаты и в 2001 году предложена их интерпретация. Чтобы окончательно убедиться в правильности проведенных экспериментов, спустя год, в 2002 году начался эксперимент KamLAND (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector), в котором в качестве источника нейтронов использовали реактор. Спустя несколько лет, после накопления достаточной статистики, результаты по превращению нейтрино были подтверждены с высокой точностью.
Чтобы объяснить механизм нейтринных превращений или нейтринных осцилляций ученые обратились к классической теории квантовой механики. Эффект превращения электронных нейтрино в мю- и тау-нейтрино предполагает с точки зрения квантовой механики наличие у нейтрино массы, иначе данный процесс невозможен даже теоретически. В квантовой механике частице определенной массы соответствует волна определенной частоты. Нейтрино представляют собой суперпозицию волн, которые и соответствуют нейтрино различного типа с различной массой. Когда волны софазны невозможно отличить один тип нейтрино от другого. Но за значительное время движения нейтрино от Солнца до Земли может происходить дефазировка волн и потом возможна их последующая суперпозиция другим образом. Тогда и становится возможным отличить один тип нейтрино от другого. Такие своеобразные изменения происходят из-за того, что различные типы нейтрино имеют различные массы, но отличающиеся на очень малую величину. Масса нейтрино оценивается в миллионы раз меньше, чем масса электрона – это ничтожна малая величина. Однако, за счет того, что нейтрино весьма распространенная частица, сумма масс всех нейтрино приблизительно равна массе всех видимых звезд.
Не смотря на такие успехи физиков многие вопросы остаются до сих пор нерешенными. Почему нейтрино такие легкие? Существуют ли другие типы нейтрино? Почему нейтрино так сильно отличаются от других элементарных частиц? Эксперименты продолжаются и есть надежда, что они позволят узнать новые свойства нейтрино и, таким образом, приблизить нас к понимаю истории, структуры и будущего Вселенной.
Подготовлено по материалам с сайта nobelprize.org.
Популярная литература и ресурсы
ВСЕ ФОТО
В комитете отметили, что оба лауреата "внесли определяющий вклад в проведение экспериментов, которые доказали, что нейтрино одного сорта превращаются в нейтрино другого сорта. Эта метаморфоза возможна только в случае, если у нейтрино есть масса"
Global Look Press
Нобелевская премия в области физики в 2015 году присуждена японцу Такааки Кадзите и канадцу Артуру Макдоналду. Об этом объявили в Нобелевском комитете в Стокгольме, говорится в официальном Twitter премии. Как отмечается в пресс-релизе, премия присуждена за "открытие осцилляции нейтрино, доказывающей, что у них есть масса".
В комитете отметили, что оба лауреата "внесли определяющий вклад в проведение экспериментов, которые доказали, что нейтрино одного сорта превращаются в нейтрино другого сорта. Эта метаморфоза возможна только в случае, если у нейтрино есть масса".
"Для физики элементарных частиц это было историческим открытием", - говорится в заявлении Нобелевского комитета. Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премия по физике должна вручаться тому, "кто сделает наиболее важное открытие или изобретение" в этой области.
Нейтрино - это нейтральная элементарная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Слабое взаимодействие лежит в основе радиоактивных распадов. Нейтринные осцилляции - это превращения нейтрино (они бывают трех видов: электронное, мюонное или таонное) в нейтрино другого вида или же в антинейтрино.
Как отмечает ТАСС, в 1957 году работавший в Дубне итальянский и советский физик Бруно Понтекорво предсказал, что нейтрино разных типов могут переходить друг в друга. Однако в случае нейтрино существование осцилляций возможно только в том случае, если эти частицы имеют массу, а с момента их открытия физики считали, что нейтрино - безмассовые частицы.
Экспериментально явление получилось открыть только спустя 40 лет после появления гипотез на нейтринном детекторе Super-Kamiokande в Японии. Группой исследователей руководил один из нынешних лауреатов Такаки Кадзита. Практически одновременно с ним группа физиков во главе со вторым лауреатом Артуром Макдональдом анализировала данные канадского эксперимента SNO, собранные в обсерватории в Садбэри. Обсерватория наблюдала потоки нейтрино, летящие от Солнца. Звезда излучает мощные потоки электронных нейтрино, однако во всех экспериментах ученые наблюдали потерю примерно половины частиц.
В ходе эксперимента SNO было доказано, что одновременно с исчезновением электронных нейтрино в потоке лучей появляется примерно столько же тау-нейтрино. То есть Макдональд и коллеги доказали, что происходят осцилляции электронных солнечных нейтрино в тау. Доказательство того, что у нейтрино есть масса, потребовало переписать Стандартную модель - базовую теорию, которая объясняет свойства всех известных элементарных частиц и их взаимодействия.
В прошлом году Нобелевскую премию в области физики получили японские ученые Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура за изобретение синего светодиода и энергоэффективных источников света.
В ближайшие дни станут известны обладатели премии в других номинациях. В частности, 7 октября в шведской столице будет объявлено о решении Нобелевского комитета по химии. Имя обладателя Нобелевской премии по литературе будет названо 8 октября. 9 октября в Осло объявят лауреата премии мира. Обладатель премии по экономике памяти Нобеля, учрежденной Государственным банком Швеции в 1968 году, определится 12 октября.
Церемония награждения пройдет 10 декабря - в день смерти основателя Нобелевской премии Альфреда Нобеля. Размер премии в этом году составляет восемь миллионов шведских крон, что из-за кризиса чуть меньше миллиона долларов - около 953 тысяч долларов.
Нобелевская премия по физике в 2015 году присуждена ученым, сделавшим гениальное открытие. Работая параллельно, Такааки Кадзито и Артур Макдональд доказали, что неуловимые частицы, именуемые нейтрино, имеют вес. Разумеется, эти показатели немногим превосходят нулевую отметку, однако теперь наука получила в свое распоряжение объяснения зарождения вселенной в принципе, равно как и многих процессов, происходящих на Земле.
Маленькая нейтральная частица
Нейтрино в переводе с итальянского языка означает «маленький нейтральный». Эти микроскопические частицы не имеют электрического заряда, поэтому ученые долгое время полагали, что нейтрино имеют нулевую массу. Однако опыты, проведенные Кадзито в университете Токио, а также Макдональдом в Канадском королевском университете, полностью опровергли имеющуюся теорию. Представители Нобелевского комитета уже заявили, что это открытие поможет изменить понимание самых сокровенных выработок материи, а также оказать решающий фактор на новое видение Вселенной.
Как проходили испытания
Как мы уже отмечали, ученые совершали опыты параллельно, в двух разных местах. Для этого один детектор был встроен под землю на один километр под японской горой Гифу, а другой на два километра в глубину под старым никелевым рудником в провинции Онтарио. В ходе испытаний ученые обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного состояния в другое, в то время, когда они мчатся в пространстве. Исходя из поведения частиц, меняющих свою форму, можно с уверенностью констатировать, что масса нейтрино существует.
Что рассказали лауреаты
Отвечая на вопросы журналистов после того, как были объявлены лауреаты по физике, Макдональд описал свое состояние коротким и емким архимедовским «Эврика!», добавив, что это был непростой опыт. К счастью у исследователя было много коллег, которые помогали ему в работе и которые в данный момент готовы разделить его радость.
Когда Кадзито узнал о том, что стал победителем, он смог произнести одно лишь слово: «Невероятно». На пресс-конференции, проходившей в Токио, нобелевский лауреат добавил, что жаждет поблагодарить нейтрино. И так как эти частицы создаются космическими лучами, он благодарит и космос.
Самые распространенные частицы во Вселенной
Нейтрино являются одними из наиболее распространенных частиц во Вселенной. Никто из нас не может почувствовать, как миллиарды из них проходят сквозь наше тело каждую секунду. Мы не ощущаем их, но они существуют. Многие из этих частиц стали последствием Большого взрыва, они постоянно создаются в недрах Земли в процессе радиоактивного распада, эти частицы посылаются на Землю солнечными лучами, они способны возникать из взрывов звезд, а также других ядерных явлений.
Открытие существования нейтрино
Сегодняшнее открытие не смогло бы иметь место без обнаружения следов нейтрино, которое датируется 1956 годом. Еще ранее ученые предполагали, что такие частицы могут существовать, но не имели технической возможности выйти на их след. Всего существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
Польза, которую извлечет современная наука
Фундаментальная работа проводилась в двух обсерваториях с разных сторон Земли в течение долгого промежутка времени. Так, еще в 1998 году команда Кадзито обнаружила, что нейтрино создаются при проникновении космических лучей в атмосферу земли, а на своем пути к детектору под гору Камиоко частицы изменили свою идентичность. Аналогичный процесс тремя годами позднее обнаружила группа Макдональда, улавливая нейтрино, идущие от солнца в обсерватории Садбери. Это открытие поможет завершить объяснение фундаментальных строительных блоков вселенной, а также найдет практическое применение в разработке ядерного синтеза.
Заключение
Теперь ученые знают, что масса нейтрино более чем в миллион раз меньше, чем масса электрона. Но так как микроскопические частицы настолько многочисленные, по оценкам экспертов, общий вес нейтрино может быть приравнен к общей массе всех видимых звезд во вселенной.
МОСКВА, 6 окт - РИА Новости . Канадский физик Артур Макдональд, получивший Нобелевскую премию 2015 года вместе японцем Такааки Каджита за открытие нейтринных осцилляций, мечтает об измерении точной массы нейтрино, которая позволила бы ученым раскрыть секрет рождения Вселенной, о чем он сообщил на пресс-конференции в Стокгольме.
"Да, у нас действительно есть еще масса вопросов по поводу того, что собой представляют нейтрино и как их трансформации вписываются в Стандартную Модель физики. Мы пока не знаем, чему равна масса нейтрино, и сейчас в наших лабораториях проводятся эксперименты, в рамках которых мы пытаемся вычислить ее и понять, существуют ли другие типы этих частиц", — заявил ученый.
Нобелевская премия по физике-2015 присуждена за нейтринные осцилляции Премии удостоены ученые Артур Б. Макдональд (Канада) и Такааки Каита (Япония) за открытие, которое может решающим образом изменить представление о Вселенной, говорится в сообщении Нобелевского комитета.Макдональд и Каджита стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2015 год благодаря открытому ими в 1998 году феномену нейтринных осцилляций - способности этих неуловимых частиц "переключаться" между тремя типами: электронными, мюонными и тау-нейтрино.
Нейтрино представляют собой электрически нейтральные элементарные частицы, которые возникают в результате ядерных реакций разного типа, в частности на ядерных реакторах, или рождаются на Солнце и попадают на Землю с космическими лучами. Они отличаются крайне высокой проникающей способностью. Нейтрино может пролететь сквозь сотни метров бетона и "не заметить" препятствия.
Способность разных типов нейтрино превращаться друг в друга может существовать только в том случае, если эта частица имеет ненулевую массу. От наличия массы у нейтрино зависят оценки массы Вселенной, а значит представления о ее дальнейшей судьбе. Кроме того, ненулевая масса нейтрино может объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней практически нет, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества того и другого.
Открытие Макдональда и Каджиты было окончательно подтверждено только летом 2015 года, когда физики ЦЕРН зафиксировали пятое тау-нейтрино в потоке мюонных нейтрино, движущихся из Швейцарии в Италию, где расположен знаменитый детектор OPERA, породивший сенсацию со "сверхсветовыми нейтрино" в 2011 году, которая была вскоре опровергнута.
Сейчас нельзя предсказать, как будут использоваться результаты изучения нейтрино, считают эксперты. Однако некоторые практические результаты у этих исследований все-таки уже есть или их можно ожидать в ближайшем будущем.
Как рассказали российские ученые РИА "Новости" в рамках "Научного понедельника", с помощью нейтриноскопии Земли можно составлять карты пород в недрах Земли, изучать историю извержений вулканов и таяния льдов в Антарктике, а также следить за работой атомных электростанций и отслеживать испытания ядерного оружия.