Как физики мира искали массу нейтрино

Нобелевскую премию по физике 2015 года прокомментировал новосибирский учёный.

В этом году премию по физике получили два человека: Такааки Кадзита, руководитель эксперимента Super-Kamiokande Токийского университета, и директор нейтринной обсерватории SNO Артур Макдоналд — «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу».

Александр Бондарь, заместитель директора по научной работе Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, член-корреспондент РАН, назвал это событие очень важным. Два представителя больших экспериментальных физических групп внесли определяющий вклад в исследования свойств нейтрино. Учёный рассказал, как развивалась история этой частицы.

Неуловимая частица

В 30-м году началась история этой очень необычной частицы, когда Вольфганг Паули предположил, что бета-распад радиоактивных ядер трёхчастичный, то есть первоначальное ядро распадается на дочернее ядро, электрон и лёгкую, практически не взаимодействующую с веществом детектора, частицу.

В 1934 году Эрнико Ферни разработал первую количественную теорию бета-распада, или теорию слабого взаимодействия — как мы сегодня говорим, и первым предложил название «нейтрино». В этом случае речь уже шла о физическом объекте, понятно было, как он взаимодействует и как его можно пытаться искать или наблюдать.

В 1955 году впервые экспериментально удалось наблюдать нейтрино как реальное явление: Фредерик Райнес и Клайд Коуэн обнаружили поток этих частиц от ядерных реакторов (в 1995 году Райнес получил Нобелевскую премию, а Коуэн не дожил до этого времени).

В 1957 году Бруно Понтекорво, известный советский и итальянский физик, написал пионерскую работу о том, что нейтрино могут осциллировать. К тому моменту было высказано предположение, что нейтрино может быть разное: электронное или мюонное. Понтекорво придумал, что если у нейтрино есть масса, пусть даже небольшая, то возможны осцилляции — переход из одного состояния в другое. Для того времени идея была очень необычной.

Надежды безнадёжных экспериментов

— Осцилляции нейтрино оставались гипотетической возможностью до тех пор, пока Раймонд Дэвис не взялся за совершенно безнадёжный эксперимент —  зарегистрировать нейтрино от Солнца, которое является самым мощным источником этих частиц в окрестностях Земли. Солнце светит за счёт термоядерных реакций, в которых производится громадное количество нейтрино. Нейтрино, как и свет, распространяется в пространстве, но из-за того, что слабо взаимодействует с веществом, мы этого никак не ощущаем, — продолжил объяснение Александр Бондарь. — Сколько нейтрино идёт от Солнца, можно рассчитать, зная мощность излучения главной звезды Солнечной системы.

Для регистрации солнечных нейтрино Дэвис использовал реакцию с хлором, которую предложил Понтекорво, хлор с атомным весом 37 , взаимодействуя с нейтрино, превращается в аргон. Аргон 37 уже химически можно выделить и обнаружить эту реакцию. Дэвис построил подземную лабораторию, на глубине полутора метров, с громадным детектором (378 м3 перхлорэтилена), и после 20 лет кропотливой работы впервые измерил поток нейтрино от Солнца (в 2002 году получил за это достижение Нобелевскую премию).

— Однако всех ждала большая неожиданность: поток оказался практически в три раза меньше, чем получался по расчётам, — объясняет физик. — Астрофизики, исследователи Солнца, стояли на своём: их расчёты точны и проблема в регистрации потока нейтрино. Вот в этот момент и вспомнили про осцилляции нейтрино.

 Красивые эффекты

В 1985 году два молодых физика Станислав Михеев и Алексей Смирнов были увлечены проблемой дефицита солнечного нейтрино и построили теорию распространения осциллирующих нейтрино в веществе и обнаружили удивительный, очень красивый эффект, который называется конверсией нейтрино. Электронные нейтрино (мюонные в термоядерных реакциях не возникают) по мере распространения в недрах Солнца превращаются в когерентную смесь, состоящую из электронных, мюонных и, как мы сейчас знаем, тау-нейтрино. Поэтому то, что излучает Солнце, это не чисто электронные нейтрино, которые только и мог регистрировать Дэвис. Интересно, что Михееву и Смирнову долго не удавалось опубликовать свою идею, на столько она была необычной.

В 1998 году был запущен большой эксперимент: Super-Kamiokande — это большой черенковский детектор, объём которого — 50 тысяч тонн воды. Свет от частиц, продуктов взаимодействия нейтрино с веществом детектора, регистрируется 32 тысячами больших (полметра в диаметре) фотоумножителей. Особенность этого детектора в том, что он может эффективно регистрировать нейтрино, измерять направление движения и сорт нейтрино. Детектор исследовал поток нейтрино от космических частиц: в атмосфере возникают ливни от взаимодействия протонов и ядер, прилетающих из космического пространства, в которых рождается большое количество пионов и которые, в свою очередь, распадаются на мюоны и нейтрино.

— После проведения этого эксперимента выяснилось, что поток мюонных нейтрино сверху и снизу детектора существенно разный, что можно объяснить только осцилляциями, поскольку взаимодействие нейтрино с веществом Земли на столько мало, что никакого ослабления потока нейтрино не происходит.

После такого замечательного открытия уже никто не сомневался, что дефицит потока нейтрино от Солнца объясняется осцилляциями. Но, чтобы окончательно доказать это, в Канаде построили нейтринный детектор SNO (Садбери нейтринная обсерватория), похожую на Super-Kamiokande, только вместо обычной воды в детекторе используется тяжёлая вода (в молекуле тяжёлой воды вместо водорода находятся атомы дейтерия, ядро которого состоит из слабо связанного протона и нейтрона). Тогда возможна реакция за счёт нейтральных токов: нейтрино не превращается в электрон, а просто рассеивается, передавая часть своей энергии ядру — в данном случае дейтерию, который после этого разваливается на протон и нейтрон. События этой реакции могут быть обнаружены по возникновению свободных нейтронов. Измерения были успешно проделаны в 2002 году: и было доказано, что полный поток нейтрино, включая электронные, мюонные и тау-нейтрино, точно соответствует расчёту для Солнца, — добавил Александр Бондарь.

Эксперименты в русской воде

В России также ведутся исследования нейтрино. Так в 60-х годах прошлого века по инициативе физиков Института ядерных исследований РАН была создана на Северном Кавказе Баксанская нейтринная обсерватория. Работы советских и российских физиков сыграли важную роль в решении проблемы дифицита солнечных нейтрино. Совместный российско-американский эксперимент SAGE на Баксанской обсерватории позволил измерить поток солнечных нейтрино галий-германиевым методом со значительно меньшим порогом регистрации по энергии, чем хлор-аргоновым методом, что подтвердило наличие дифицита потока нейтрино в значительно большем энергетическом диапазоне.

Кроме того, на Байкале создаётся гигантский нейтринный телескоп, размер которого кубический километр. Используют байкальскую воду на глубине больше одного километра. Для того чтобы изучать возможные источники нейтрино во Вселенной. Этот проект ещё в процессе создания.

Фото: Ростислав Нетисов, www.fxstock.ru, www.astro.websib.ru

Мария Тищенко