Александр Спирин
Установка Ice Cube в Антарктике по улавливанию нейтрино, приходящих из космоса. Фото Physorg
Родившаяся в начале ХХ века квантовая физика подмечала детали, которые не попадали в поле зрения физиков-«классиков». В то же время успехи последних подготовили открытие той же радиоактивности, осмыслением которой были заняты умы ученых разных стран. В Копенгагене Нильс Бор, постулировавший квантовые скачки электронов, для обсуждения проблем новой физики собирал молодых физиков, среди которых был тогда еще советский физик-теоретик Георгий Гамов. Он предложил элегантное объяснение «выхода» из атомного ядра альфа-частицы (представляющей собой ядро гелия). Гамов считал, что частица выходит по «тоннелю», образующемуся под энергетическим барьером. И это предположение оказалось совершенно верным. А при бета-распаде происходит еще более интересный процесс, приводящий к рождению другого элемента.
В 1945 году Нобелевскую премию получил швейцарец Вольфганг Паули, один из отцов-основателей современной физики. Он обратил внимание на высвобождение при бета-распаде не только электрона, но и чрезвычайно легкой частицы, почти не имеющей массы. Уход электрона сопровождается превращением нейтрона в протон и сдвигом атома на одну клетку таблицы Менделеева вправо.
Много позже американец Мари Гелл-Ман объяснит суть происходящего: распад сопровождается изменением тройки кварков, в результате появляется свободный электрон и та самая частица. За «открытие» кварков на кончике пера Гелл-Ману присудят Нобелевскую премию, но это случится уже после Паули. История гласит, что Паули как-то пожаловался выдающемуся физику, итальянцу Энрико Ферми, что никак не может подыскать имя нейтральной частице, возникающей при бета-распаде. Недолго думая, Ферми по аналогии с бамбино предложил назвать частицу нейтрино. Альфа- и бета-частицы являются «глашатаями» процессов, происходящих в ядрах радиоактивных элементов.
Вот объяснение по аналогии. На Руси объявлявших волю правителя человека называли бирюками – они для привлечения внимания били в «биры» – барабаны. Удар в барабан вызывает колебания натянутой кожи, передаваемые воздуху внутри резонатора. Сходными свойствами обладают и нейтрино, доносящие до нас сообщения о том, что происходит в глубинах космоса.
Но нейтральный «статус» нейтрино и их чрезвычайно малая энергия делают их трудноуловимыми. Тем не менее с помощью изощренных детекторов, улавливающих свет излучения, генерируемого при прохождении частиц через большие баки с водой или в земных глубинах, можно зафиксировать их следы. Есть нейтринный детектор и в Антарктиде – Ice Cube (говоря упрощенно, кубокилометр чистейшего льда). Все эти физические приборы позволили говорить о свойствах нейтрино. А это, в свою очередь, поставило на повестку дня вопрос точного определения «веса» частицы, что очень важно для физиков-теоретиков и космологов.
В китайской провинции Сычуань, что у границ с Тибетом, в январе объявили об открытии подземной лаборатории, в которой наряду с темной материей будут искать и нейтрино, порождаемые в глубинах космоса. А в немецком Карлсруэ вступил в строй детектор КАТРИН размером со старый добрый цеппелин (KАrlsruhe TRItium Neutrino). С его помощью ученые попытаются с максимальной точностью взвесить нейтрино (вернее, антинейтрино), образующееся при бета-распаде трития. Количество выделенной энергии, уносимой электроном и нейтроном, хорошо известно, поэтому остаток будет равен массе нейтрино. Точность определения составляет 0,2 электрон-вольт (еV).
Предполагается строительство детектора NuMass, в котором будет использоваться электронный захват в ядро редкоземельного металла гольмия электрона. «Внедрение» последнего вызывает перестройку электронной оболочки атома с выделением энергии тепла, которое можно замерить.
Еще одно предложение касается детектора «Птолемей», в котором будет использоваться не газообразный, а твердый тритий на графене. Это позволит фиксировать большее число распадов. Чувствительность такого эксперимента оценивается в 0,04 eV.
Одна из сложностей, связанных с квантовой физикой, заключается в том, что ее феномены проявляют себя при сверхнизких температурах и на очень малых расстояниях. И вот в лозаннском Институте технологии создали оптомеханическую полость с ультранизким шумом. Швейцарцы создали маленький барабан, с помощью которого стало возможно измерять квантовые вибрации, возникающие при давлении света (Rpf – Radiation pressure force), при комнатной температуре. До сих пор Rpf измеряли при глубоком охлаждении с целью максимально подавить тепловые вибрации, что сложно и дорого.
В Лозанне барабан в условиях вакуума поместили между двумя зеркалами, создавшими оптическую полость для «уловления» лазерного луча. А он, в свою очередь, усилил квантовую силу воздействия света на барабан с его специфической частотой колебаний. Ученые определили, что вибрации зеркал были ослаблены в 700 раз. Также было подавлено броуновское движение молекул, что еще больше способствовало чистоте опытов.
Возвращаясь к вопросу о точном измерении массы нейтрино, нельзя не упомянуть предложение физиков Гарварда использовать для это большой детектор ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРН (Швейцария). В нем сталкивают пучки ядер и ионы. Детектор имеет массу 7000 т, что позволяет получить достаточное число столкновений частиц, приходящих из глубин космоса. Авторы предложения надеются, что таким образом можно будет «ловить» нейтрино, образующиеся при взрывах близлежащих сверхновых, что вблизи Бетельгейзе (альфа Ориона) и небольшой звезды в созвездии Киля.
В общем, нет пределов изощренности научной мысли, оттачиваемой сегодня с помощью самых разных инструментов. Не то, что век назад, когда все приходилось открывать на кончике пера теоретиков, которые были не согласны с заявлениями «классиков», что наступил конец истории физики.
