Форум НАУКА > Новости Науки и техники
Почему за превращения нейтрино присудили Нобелевскую премию по физике
Король Альтов:
https://lenta.ru/articles/2015/10/06/nobelprizeinphysics/
Почему за превращения нейтрино присудили Нобелевскую премию по физике
Нобелевскую премию по физике 2015 года получат канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно поставило точку в этом вопросе.
Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80 лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра (его полного момента количества движения).
Вторая проблема — непрерывного спектра электронов в бета-распаде (этот распад изменяет заряд ядра на единицу и приводит к испусканию электрона или его античастицы — позитрона) — связана с тем, что в опытах по бета-распаду энергии образующихся электронов изменялись непрерывным образом в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).
Две проблемы не давали покоя физикам, поскольку приводили к нарушению законов сохранения — импульса, момента импульса и энергии. Некоторые ученые, в частности, датчанин Нильс Бор, даже предположили, что пришло время пересмотреть энергетические основы физики и отказаться от законов сохранения. К счастью, этого не пришлось делать.
Всех успокоил швейцарский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбинген. «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые обладают спином 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и "нейтрон" — таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной», — сообщал ученый.
«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.
Король Альтов:
Нейтрино (итальянское «маленький нейтрон») дал имя итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.
Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц — промежуточных векторных бозонов — и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.
Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил — скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый — имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.
Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.
Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.
Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них — протоны, электроны и нейтрино).
Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.
Король Альтов:
Природные источники нейтрино и будущие эксперименты Изображение: Nigel Hawtin / NatureПод осцилляциями нейтрино подразумеваются взаимопревращения одного сорта этих частиц в другие. Всего существуют три типа нейтрино (и, возможно, три типа отвечающих им античастиц): электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном, мюоном и таоном они образуют шесть лептонов — класс бесструктурных элементарных частиц. Адроны тоже считаются элементарными частицами, однако состоят из кварков, которые вследствие явления асимптотической свободы (невылетания) не могут наблюдаться в свободном состоянии.
Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики — ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).
Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.
В классической версии Стандартной модели (СМ) — современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), — нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, — это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.
Король Альтов:
Солнечные нейтрино и эксперимент SNO Изображение: @NobelPrizeТеоретически нейтринные осцилляции включаются в СМ матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания (среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино так называемыми майорановскими частицами, но об этом — ниже). В этом смысле принятие ненулевой массы нейтрино никак не означает какого-то принципиально нового расширения СМ.
Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином — именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы — в частности, электроны и их античастицы — позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.
В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.
Искать майорановские нейтрино можно различными способами. Самый распространенный из них заключается в поиске безнейтринного двойного бета-распада, в результате которого электрический заряд атомного ядра увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Двойной бета-распад — разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу.
В Стандартной модели — современной теории физики элементарных частиц — безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).
Вейлевские фермионы ученым удалось обнаружить, но только в форме квазичастиц. Частицы физики обнаружили в экспериментах по прохождению света через одну из форм кристаллов арсенида тантала (соединения мышьяка и тантала). Ученые сумели выбрать из всего многообразия таких кристаллов (их оптические свойства зависят от частоты падающего излучения) соединения с необходимыми физическими свойствами. Материал с такими квазичастицами может найти применение в компьютерах будущего.
Король Альтов:
Атмосферные нейтрино и эксперимент Super-Kamiokande Изображение: @NobelPrizeДо сих пор ученые не обнаружили майорановские нейтрино, и прогнозы тут пока неутешительные. Поиски майорановских нейтрино и попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются стремлением физиков выйти за пределы СМ: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда — электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, а их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения СМ (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).
Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи — таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.
Навигация
[0] Главная страница сообщений