Top

Поймать неуловимое и взвесить невесомое…

 

В самом конце двадцатого века физикам из Японии и Канады удалось экспериментальным путем доказать, что нейтрино одного сорта на лету самопроизвольно превращаются в нейтрино другого сорта. Японские физики, которыми руководил Такааки Кадзита, зафиксировали превращения атмосферных нейтрино. Канадцы во главе с Артуром Макдональдом получили такие же результаты в экспериментах с солнечными нейтрино.

Открытие нейтринных превращений или осцилляций имело фундаментальное значение. И вопрос, когда нейтринная физика получит свою очередную заслуженную Нобелевскую премию, стал всего лишь вопросом времени.

Из цикла: Жизнь замечательных идей

Великий датский ученый и основоположник квантовой физики Нильс Бор говорил: «Ничто не существует, пока оно не измерено».  Но измерить объекты микромира очень трудно.

Иногда охота за какой-нибудь неуловимой частицей растягивается на четверть века. И еще полвека уходит на то, чтобы выяснить: а кого поймали-то? И как это измерить?

Существование нейтрино было предсказано в тридцатые годы двадцатого века. Но поймать эти частицы очень долго не удавалось. Их называли частицами-призраками и даже плодом фантазии теоретиков. Тем более что свойства этих «выдуманных» частиц были поистине фантастическими. Считалось, что нейтрино имеют нулевую массу и  перемещаются со скоростью света. При этом они способны пролетать сквозь миллиардокилометровые толщи любого вещества, не взаимодействуя с ним и не изменяясь.

Позже выяснилось, что нейтрино не такие уж быстроногие, и не такие уж невесомые…

Впрочем, понятие «вес» никакого отношения к элементарным частицам не имеет.

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Почему вес не имеет никакого отношения к элементарным частицам? Вес, это то, как некоторое тело давит на весы. Весы находятся на земле, на них кладётся тело, на чашку весов и вот оно давит – это и есть вес. Но понятно, что вес зависит от того, где эта частица находится. В невесомости на весы тело не давит. Поэтому свойства элементарных частиц характеризует не вес, а масса. У каждой частицы есть своя масса.

В поимке неуловимых частиц принимали участие самые знаменитые физики двадцатого века: патриархи Нильс Бор, Эрнест Резерфорд и Энрико Ферми, «изобретатели» квантовой механики Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, физики-ядерщики Бруно Понтекорво, Фредерик Рейнес, Раймонд Дэвис, Леон Ледерман, Мельвин Шварц, Джек Штейнбергер и многие другие.

Истории вокруг нейтрино

В 1960-ом году популярный и в Америке, и в Советском Союзе писатель Джон Апдайк, восхищаясь невероятными свойствами нейтрино, написал стихотворение «Космическая наглость». Спустя 32 года оно было опубликовано в журнале «Юность» в переводе дубнинского физика-экспериментатора Генриха Варденги.

 «Нейтрино, крохотные тени,

Отринув массу и заряд,

Не признают закон общений,

Взаимодействий и преград.

 Они по всей Вселенной шарят,

Не поступаясь прямизной,

Для них — пустой надутый шарик,

Трилльоннотонный шар земной…»

 Франция, Париж, 1896 год.

Все началось в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель случайно обнаружил самопроизвольное излучение урана. Ученица Беккереля Мария Кюри-Склодовская назвала это явление «радиоактивность».

В 1899 году английский физик Эрнест Резерфорд выяснил, что в процессе радиоактивного распада разные химические элементы испускают разные лучи. Резерфорд идентифицировал альфа и бета-лучи. Спустя год французский физик и химик Поль Виллар открыл гамма-излучение.

Справка: Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц — ядер гелия. Бета-лучи  — из отрицательно заряженных частиц электронов. А гамма-лучи – это электромагнитное излучение, состоящее из фотонов высокой энергии.

К началу тридцатых годов двадцатого века процесс радиоактивных превращений был более или менее изучен. И тут вдруг выяснилось, что только альфа и гамма-распады идут строго в соответствии с законами физики, и частицы уносят энергию равными порциями. А вот при бета-распаде происходит что-то невероятное. Спектр энергии вылетающих электронов имеет непрерывный характер. К тому же общее количество энергии от распада к распаду меняется.

Объяснить этот парадокс было невозможно. Разве только предположить, что из ядра вылетают электроны самых различных энергий. Но как тогда быть с законом сохранения энергии и импульса, согласно которому при распаде ядер определенного типа энергия электронов должна быть одной и той же.

Оставалось признать, что в данном случае закон сохранения энергии не соблюдается. Или допустить, что при бета-распаде энергию кто-то… крадет!

Истории вокруг нейтрино

В 1930 году великий Нильс Бор пригласил к себе на совет в Копенгаген всех ведущих квантовых физиков Европы. Темой совета был «Новый кризис теории квант». Обсуждали несколько проблем, в том числе и проблему сохранения энергии. Заседание вел будущий нобелевский лауреат австриец Вольфганг Паули. В руках у него был рог и он трубил в него каждый раз, когда дискуссия заходила в тупик. Под конец Паули трубил уже почти безостановочно. В шуточной резолюции, принятой по итогам совета, положение было признано безнадежным. И все участники заседания торжественно зарекались впредь заниматься квантовой теорией. Паули объявил, что уйдет в математику. Гейзенберг сказал, что будет отныне заниматься музыкой. Только Нильс Бор поосторожничал, решил, что еще подумает…

Германия, Тюбинген, 1930 год

В декабре 1930 года Вольфганга Паули пригласили в Тюбингенский университет — на традиционную международную конференцию физиков. Поехать он не смог, но отправил вместо себя шутливое обращение, которое называлось «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене»:  «Дорогие радиоактивные дамы и господа… я нашёл отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц, которые я назову нейтронами…»

Дальше Вольфганг Паули высказал предположение, что эти крохотные частицы испускаются при бета-распаде вместе с электронами и уносят часть энергии. А заканчивалось письмо так: «Не рисковать — не победить… Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый путь к спасению».

Первый путь к спасению закона сохранения энергии был намечен. Однако большинство физиков история с выдуманным воришкой не удовлетворила. Нильс Бор, например, еще в 1929 году выдвинул гипотезу, что в ядерной физике может не соблюдаться закон сохранения энергии. И продолжал на этом настаивать.

Два года Паули не решался публиковать свою теорию. Только в октябре 1933-года на седьмом Сольвеевском конгрессе, посвященном структуре и свойствам атомного ядра, он впервые официально обнародовал новую интерпретацию бета-распада: «…Законы сохранения имеют силу; эмиссия бета-частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайно проникающих нейтральных частиц, которые ещё не наблюдались…»

Энрико Ферми предложил назвать легкие всепроникающие частицы «нейтрино», что в переводе с итальянского означало «нейтрончики». Потому что имя «нейтрон», придуманное Паули несколько лет назад, к тому времени уже было «занято». Оно как нельзя лучше подошло тяжелой нейтральной частице, недавно открытой английским физиком Джеймсом Чедвиком.

 Справка: Нейтроны были открыты в 1932. Английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что при альфа-распаде из атомного ядра вместе с положительно заряженными протонами вылетают тяжелые нейтральные частицы, сопоставимые с протонами по массе.

После Сольвеевского конгресса число сторонников Паули значительно выросло. Хотя его продолжали обвинять в том, что он изобрел нейтрино только от отчаяния и только для спасения закона сохранения энергии.

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Когда Паули предсказал существование нейтрино, он обсуждал, как оно может быть найдено. Но эта частица  имела очень маленькое сечение взаимодействия. Её невозможно было найти на эксперименте. И он думал, что его найдут за счёт ионизации. Что нейтрино – частица нейтральная, но у неё есть магнитный момент. И она будет ионизовать атомы. И так сказать, будет след оставлять в результате этого. Никакого следа она не оставляла. И поэтому видно было, что магнитный момент если и есть, то он очень маленький, а скорее всего его,  может быть, вообще и нет. 

Истории вокруг нейтрино

В 1930 году Вольфганг Паули написал своему другу астроному Вальтеру Бааде: «Сегодня я сделал нечто ужасное. Физику-теоретику непозволительно так поступать ни в коем случае. Я выдумал частицу, которую никогда нельзя будет обнаружить экспериментально». Бааде предложил другу пари на бутылку шампанского, что нейтрино поймают еще при их жизни. Паули проиграл спор. Правда, произошло это только через четверть века. Вручая Бааду шампанское, Паули сказал, что ещё никогда не проигрывал пари с таким удовольствием.

 США, Южная Каролина, 1956 год

14 июня 1956 года американские физики Фредерик Рейнес и Клайд Коуэн отправили Вольфгангу Паули телеграмму: «Счастливы сообщить Вам, что мы определенно детектировали нейтрино».

Паули написал в ответ: «Если умеешь ждать – дождёшься, чего хочешь».

Проект поимки нейтрино Рейнеса и Коуэна назывался «Полтергейст». Он был задуман при случайных обстоятельствах. Самолет, в котором физики летели в Принстон, совершил вынужденную посадку в аэропорту Канзас-сити. Пытаясь скоротать время, бывшие коллеги по Манхэттенскому проекту разговорились и в итоге решили вместе заняться какой-нибудь сложной физической проблемой. Например, поймать нейтрино.

Позже, когда у Фредерика Рейнеса спрашивали, почему именно нейтрино? Он отвечал: «Потому что все убеждали нас, что это невозможно».

Эксперименты Рейнеса и Коуэна шли на реакторе ядерного комплекса Саванна Ривер в Южной Каролине. Мишенью служил четырёхсотлитровый бак с растворённым в воде хлористым кадмием. А детекторами – фотоэлектронные умножители, которые покрывали всю поверхность этой «бочки».

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Эксперимент Райнеса и Коуэна – это первое детектирование нейтрино, вернее, антинейтрино от реактора. Это реактор Саванна-Ривер. Там образуются  антинейтрино  электронные, и они попадают на мишень. Это мишень – там имеется вода, то есть протоны. Антинейтрино на протоне рождают  позитрон и нейтрон. Позитрон быстро аннигилирует с электроном,  образуются фотоны. И эти фотоны фиксируются детектором. Фотоумножителями. И также нейтрон захватывается кадмием и тоже высвечивается фотон через некоторое время. И вот обе эти вспышки фотонные были зарегистрированы, и это была первая регистрация нейтрино электронных, которая  произошла через четверть века после того, как Паули предсказал существование этой частицы.

Истории вокруг нейтрино

В 1934 году один из самых старых и авторитетных общенаучных журналов «Nature» (природа) опубликовал статью, которая называлась «Нейтрино». Авторами были известные физики-теоретики Ханс Бете и Рудольф Пайерлс. Они утверждали, что «не существует никакой возможности обнаружить нейтрино». Спустя много лет Фредерик Рейнес, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию за обнаружение нейтрино, напомнил Хансу Бете об этой статье. Бете ответил: «Ну, разве можно верить всему, что пишут!»

США, Южная Каролина, 1956 год

Параллельно с Рейнесом и Коуэном поимкой нейтрино занимался другой американский ученый, химик по образованию – Раймонд Дэвис. Эксперименты его группы проводились в том же 1956 году и на том же ядерном реакторе в Саванна Ривер, но с помощью другого метода — хлор-аргонного. Этот метод был разработан итальянским физиком Бруно Понтекорво – учеником Энрико Ферми.

Свой знаменитый способ поимки солнечных нейтрино Бруно Понтекорво изобрел в 1946 году, когда участвовал в запуске ядерного реактора на тяжёлой воде в канадском городе Чок-Ривер.

Было известно, что нейтрино улетают с места возникновения по прямолинейной траектории, нигде и ничем не отклоняясь, свободно пронзая толщи любого вещества. Но все-таки небольшие препятствия на их пути можно было устроить. Понтекорво предложил строить «барьеры» из изотопа хлора-37. При столкновении с нейтрино ядро атома хлора должно испустить электрон и превратиться в ядро радиоактивного аргона-37. Если удастся зарегистрировать эту реакцию, то можно быть уверенным, что без нейтрино здесь не обошлось.

Однако проверить это на практике Понтекорво не успел. В пятидесятом году он неожиданно для многих перебрался в Советский Союз…

В 1956 году Раймонд Дэвис попробовал поймать нейтрино по методу Понтекорво. Но у него ничего вышло. Только через год выяснилось, что нейтрино, пойманные Рейнесом и Коуэном, и те нейтрино, которые пытался поймать Дэвис, соотносятся друг с другом, как частица и античастица.

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Из реактора вылетают, в основном, антинейтрино. Почему? В реакторах имеются тяжёлые вещества с избытком нейтронов. Когда там происходит реакция деления, то у вас образуются лишние нейтроны, избыточные,  и нейтрон переходит в протон. Должен быть тогда электрон, чтобы суммарный заряд оставался равен нулю, как был  в начале. И раз электрон – значит антинейтрино. Потому что имеется закон сохранения электронного заряда. Электрон имеет электронный заряд единицу, и нейтрино — единица. Поэтому с электроном рождается антинейтрино. Вот. И вот это нейтрино антиэлектронное, которое в частности в эксперименте Коуэна и Райниса было зафиксировано. На Солнце, наоборот, имеются лёгкие элементы. Там в термоядерную реакцию вступают протоны. Протоны объединяются,  получается дейтрон, то есть, протон, нейтрон и позитрон. Раз позитрон, то ещё должно  быть нейтрино. Поэтому от Солнца летят солнечные нейтрино – это нейтрино электронные.

 США, Колумбия, 1962 год

До начала шестидесятых годов физики считали, что нейтрино бывает только одного вида – электронное. То есть, рождающееся в паре с электроном. Но в 1962-ом году американский физики Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер обнаружили новый сорт нейтрино – мюонное. Эти нейтрино рождались в паре с мюоном – неустойчивой космической частицей, имеющей отрицательный заряд.

А когда американский физик Мартин Пёрл в 1975-ом году открыл «родственника»  мюона тау-лептон, стало ясно, что существует и третий тип нейтрино – таонное.

Справка: Экспериментально существование тау-нейтрино было доказано в 2000 году. Все три типа нейтрино имеют свою зеркальную пару, то есть, соответствующую античастицу.

Но ещё до всех этих открытий физики столкнулись со следами «очередного преступления». На сей раз это было уже не мелкое воровство энергии. Кто-то похищал сами нейтрино. Причем, в больших количествах.

Недостачу обнаружил Раймонд Дэвис.

После неудачных экспериментов в Саванна Ривер Дэвис перебрался в Южную Дакоту. Там в соляной шахте Хоумстейк на глубине полутора километров был установлен детектор нейтрино. Мишенью служил шеститонный бак с перхлорэтиленом. А в роли ядерного реактора выступало Солнце. В 1967 году Дэвис с коллегами начал охоту на солнечные нейтрино.

Результаты оказались неожиданными. Плотность потока солнечных нейтрино была втрое меньше расчетной.

Загадкой исчезновения солнечных нейтрино занимались многие физики. Отгадка была найдена только после открытия нейтринных осцилляций.

Справка: Нейтринные осцилляции – это превращение электронного, мюонного или таонного нейтрино в нейтрино другого сорта.

 Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Осцилляция – это существенно квантово-механическое явление и классическую аналогию можно какую-то придумать. Допустим, в коридор входит мужчина, пройдёт по коридору некоторое расстояние – и выйдет из него женщина. Вот как вам это понравится? Вот в классике такого явления представить себе нельзя. А в квантовой механике – вот это явление осцилляции – оно достаточно простое.

Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута Бруно Понтекорво в 1957 году. В это время Бруно Максимович уже жил в Советском Союзе и работал в институте ядерных исследований в Дубне. Эту гипотезу большинство учёных тогда восприняло, как неудержимый полет фантазии выдающегося физика – «мистера нейтрино». Так шутливо, но с огромным уважением именовали Бруно Максимовича коллеги.

Истории вокруг нейтрино

Однажды Бруно Максимович гулял в лесу в окрестностях Дубны и неожиданно заблудился. К вечеру вышел на дорогу, остановил трактор. Тракторист, распознав в заблудившемся незнакомце дубнинского физика, спросил из любопытства, чем тот занимается в институте. Понтекорво честно ответил: «Нейтринной физикой». На что тракторист вежливо заметил: «Вы хорошо говорите по-русски, но все же некоторый акцент есть. Физика не нейтрИнная, а нейтрОнная». Позже, рассказывая об этом происшествии своим знакомым, Бруно Максимович обычно добавлял: «Надеюсь, я доживу до времени, когда уже никто не будет путать нейтроны с нейтрино».

Япония, остров Хонсю, 1983 год

В 1983 году в одной из старых шахт на острове Хонсю был построен большой нейтринный детектор Камиоканде. Первоначальной целью эксперимента, которым руководил Токийский физик Такааки Кадзита, был поиск распада протона. Но позже ученые вплотную занялись атмосферными нейтрино и обнаружили то же самое, что и Раймонд Дэвис: электронные нейтрино составляют всего лишь треть от полного потока, рассчитанного в согласии со Стандартной Солнечной моделью.

Единственной причиной недостачи могла быть только осцилляция. То есть, нейтрино, рожденное, как электронное, в полете самопроизвольно превращается в мюонное и таонное. В результате все три сорта равномерно перемешиваются. Но превращения возможны только в том случае, если частицы имеют разную массу.

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Для того чтобы нейтрино осциллировали, у  них должны быть массы не нулевые, во-первых, а во вторых разные массы. Есть такое понятие – длина осцилляции, то есть, это такое расстояние, на котором одно нейтрино  с заметной вероятностью перейдёт в другое нейтрино. Так вот эта вот длина осцилляций она обратно пропорциональна разности масс нейтрино. Поэтому если масса одного нейтрино стремится к массе другого нейтрино, то в знаменателе у вас будет ноль. То есть, осцилляции вообще не произойдёт. Если у частиц у всех масса ноль или даже не ноль, а просто равны друг другу массы, то тогда осцилляции нет. Поэтому как раз на эксперименте были найдены осцилляции и солнечных нейтрино, и атмосферных нейтрино, и реакторных нейтрино, и сейчас уже и ускорительных нейтрино. То это ясно, что у нейтрино  есть ненулевые массы.

Новая серия экспериментов для проверки и подтверждения превращений частиц друг в друга шла на модернизированном детекторе Супер-Камиоканде. Впервые Такааки Кадзита сообщил об осцилляциях нейтрино как об открытом факте в 1998 году на конференции по физике и астрофизике нейтрино.

А спустя три года, в 2001-ом, осцилляции нейтрино были подтверждены канадскими учеными — сотрудниками нейтринной обсерватории в Садбери. Этой коллаборацией руководил физик Артур Макдональд.

Швеция Стокгольм, 2015 год

В декабре 2015 года Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике «За открытие нейтринных осцилляций, показывающее, что нейтрино имеют массу».

Это уже четвертая нобелевка нейтринной физики.

В 1988 году Нобелевская премия за открытие мюонного нейтрино была вручена Леону Ледерману, Мелвину Шварцу и Джеку Штейнбергеру. В 1995 заслуженную награду за обнаружение частицы-призрака получил Фредерик Рейнес. А в 2002 году самой престижной научной премией были увенчаны исследования солнечных нейтрино. Лауреатами тогда стали Раймонд Дэвис и Масатоси Косиба.

Не исключено, что в ближайшее время этот список пополнится. Потому что по всему миру сейчас запускаются новые детекторы атмосферных, космических, реакторных и прочих нейтрино. Эксперименты продолжаются и на шахте Хоумстейк, и в японской обсерватории Супер-Камиоканде. И, как это было в свое время с поисками бозона Хиггса, изучением нейтрино занимаются сейчас тысячи физиков из разных стран, объединяя свои усилия в совместных проектах.

Один из таких крупных совместных проектов, в котором участвуют японские, американские и российские физики, называется «Майорана». В честь итальянского физика-теоретика Этторе Майорана, предсказавшего существование истинно нейтральных частиц, одновременно являющихся собственными античастицами.

 Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Эксперимент Майорана – это поиск так называемых два-бета-ноль-ню-распадов. Что это за распады? В обычном бета-распаде у вас рождается электрон, ну, или позитрон и нейтрино, или антинейтрино. Два-бета-распад – это когда одновременно рождаются два электрона и два антинейтрино.

Поэтому если найдут два-бета-ноль-ню-распад – то, во-первых, будет информация о том, чему равна масса нейтрино. А до сих пор в прямых измерениях масса нейтрино не была померена. Только верхнее ограничение. А в осцилляционных экспериментах мы знаем только разницу масс нейтрино. А вот эксперимент обнаружения два-бета-ню-распада даст вам прямо, так сказать,  значение массы нейтрино. Во-первых, а во-вторых, будем знать, что это такая истинно нейтральная частица. Не дираковская частица, а майорановская. Это очень важно. Пожалуй, самое важное, что осталось выяснить про нейтрино, дираковская частица, майорановская. Теоретически – майорановская более предпочтительна.

Зачем нужно изучать нейтрино? И можно ли заставить эту невидимую и почти невесомую частицу выполнять какую-нибудь полезную работу?

Конечно, можно.

Например, измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках планеты, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения.

С помощью нейтринных детекторов можно контролировать мощность промышленных ядерных реакторов и состав топлива. А также искать припрятанные запасы ядерного оружия по фону от оружейного плутония.

Но одно из самых перспективных направлений использования нейтрино – это нейтринная астрономия.

Комментарий — Михаил Высоцкий, физик-теоретик, член-корреспондент РАН: Нейтрино – это частица, которую называют астропатикл. Люди, занимающиеся астрофизикой, очень интересуются нейтрино. Почему? Потому что если где-то происходит взрыв сверхновой или ещё какое-то явление в центре галактики, и идёт большое энерговыделение – рождаются элементарные частицы – протоны. В частности, рождаются. И они попадают на землю. Но имеется межгалактическое магнитное поле – оно искривляет траекторию протонов. И галактическое магнитное поле, ещё большее, оно искривляет траекторию протонов. Поэтому откуда пришли протоны, мы не можем сказать, где во вселенной произошло это явление. Нейтрино – у них нет заряда, и они идут строго по прямой линии. Поэтому если у вас пришла вспышка нейтрино с какого-то направления, то вы знаете, что на этом направлении произошло какое-то астрономическое событие.

Впервые детекторы нейтрино были использованы для астрофизических измерений в 1987 году. Тогда в Южном полушарии вспыхнула сверхновая звезда, и установки, расположенные в шахтах глубоко под землей, тут же зафиксировали резкий всплеск нейтрино.

А ещё с помощью нейтрино можно обнаружить очень удаленные астрономические объекты. Ведь эти частицы буквально пронизывают Вселенную насквозь, не встречая никаких препятствий на своем пути.
«Они летят таким карьером,
Что и не снился жеребцам,
Поверх всех классовых барьеров,
Вторгаясь в тело мне и вам.

Средь ночи протыкать перину!
Вы скажете: «Вот молодцы!»
А я считаю, что нейтрино —
Космические наглецы».

 

 

Режиссер Леонид Медов

Корреспондент Марк Рыклин

Научный консультант Михаил Высоцкий

«Цивилизация», 2015 год

 Ссылка на фильм: http://tvkultura.ru/video/show/brand_id/20954/episode_id/1430253/