Нобель 2015: Почему «линяют» солнечные зайчики / Наука / Независимая газета

нобелевская премия, физика Эксперименты Артура Макдональда и Такааки Кадзита, возможно, «закроют» принятую сейчас в физике Стандартную модель. Фото Reuters

Рассказ о работах, удостоенных Нобелевских премий по физике за 2015 год, придется начать издалека.

Советский физик Павел Черенков поразил в свое время научный мир доказательством того, что скорость частицы может быть больше скорости света в среде, затормаживающей прохождение его фотонов (свет тормозится водой на 25%, поэтому скорость излучения локального источника действительно превышает скорость уже заторможенного света). Новый эффект получил название «Черенковское излучение», за что его открыватель в 1958 году был удостоен Нобелевской премии.

Открытие в 1932 году нейтрона подтолкнуло Энрико Ферми назвать считавшуюся тогда безмассовой частицу «нейтрино» (по аналогии с итальянским «бамбино» – «дитя, ребенок»; в данном случае – «нейтрончик»). Нейтрино, миллиарды которых безо всякого взаимодействия с веществом, в том числе и с нашими телами, проходят насквозь каждую секунду, были экспериментально открыты за три года до рождения одного из нобелевских лауреатов этого года – японца Такааки Кадзита. Открыли их в солнечных лучах, и возникают они в ходе термоядерного процесса в глубинах нашей звезды. Ее лучи несут только электронные нейтрино. Однако космические лучи, взаимодействуя с атомами атмосферных газов, порождают так называемые нейтрино мюонные.

Отсутствие, как полагали ученые, массы обусловливает ничтожное взаимодействие с материей, неимоверно осложняя задачу изучения этих частиц. Именно поэтому решение проблемы видели в строительстве гигантских «обсерваторий», улавливающих то самое черенковское излучение. Одна из наиболее известных была сооружена в старой серебряной шахте Камиока к северу от древней столицы Японии Киото. В шахте на глубине более километра создали гигантский водный резервуар с 50 т воды и 11 тыс. детекторов. К названию добавили три буквы NDE, означающие «эксперимент с ядерным распадом».

В ходе Камиока NDE удалось выявить и третье нейтрино, а именно тау, за что руководителю эксперимента Масатоси Косиба в 2002 году дали Нобелевскую премию. На посту директора нейтринной обсерватории его сменил Такааки Кодзита, родившийся в Токио и окончивший университет Сайтама. Свои опыты он начал в 1998 году.

Рассказ о работах, удостоенных Нобелевских премий по физике за 2015 год, придется начать издалека.Советский физик Павел Черенков поразил в свое время научный мир доказательством того, что скорость частицы может быть больше скорости света в среде, затормаживающей прохождение его фотонов (свет тормозится водой на 25%, поэтому скорость излучения локального источника действительно превышает скорость уже заторможенного света). Новый эффект получил название «Черенковское излучение», за что его открыватель в 1958 году был удостоен Нобелевской премии.Открытие в 1932 году нейтрона подтолкнуло Энрико Ферми назвать считавшуюся тогда безмассовой частицу «нейтрино» (по аналогии с итальянским «бамбино» – «дитя, ребенок»; в данном случае – «нейтрончик»). Нейтрино, миллиарды которых безо всякого взаимодействия с веществом, в том числе и с нашими телами, проходят насквозь каждую секунду, были экспериментально открыты за три года до рождения одного из нобелевских лауреатов этого года – японца Такааки Кадзита. Открыли их в солнечных лучах, и возникают они в ходе термоядерного процесса в глубинах нашей звезды. Ее лучи несут только электронные нейтрино. Однако космические лучи, взаимодействуя с атомами атмосферных газов, порождают так называемые нейтрино мюонные.Отсутствие, как полагали ученые, массы обусловливает ничтожное взаимодействие с материей, неимоверно осложняя задачу изучения этих частиц. Именно поэтому решение проблемы видели в строительстве гигантских «обсерваторий», улавливающих то самое черенковское излучение. Одна из наиболее известных была сооружена в старой серебряной шахте Камиока к северу от древней столицы Японии Киото. В шахте на глубине более километра создали гигантский водный резервуар с 50 т воды и 11 тыс. детекторов. К названию добавили три буквы NDE, означающие «эксперимент с ядерным распадом».В ходе Камиока NDE удалось выявить и третье нейтрино, а именно тау, за что руководителю эксперимента Масатоси Косиба в 2002 году дали Нобелевскую премию. На посту директора нейтринной обсерватории его сменил Такааки Кодзита, родившийся в Токио и окончивший университет Сайтама. Свои опыты он начал в 1998 году.Тремя годами позже по другую сторону Тихого океана взошла звезда Артура Макдональда, родившегося в канадском Сиднее (Новая Шотландия) в 1943 году. Образование он получил в университете Дэлхауз, затем перебрался в Калифорнийский технологический институт в Лос-Анджелесе, после чего несколько лет провел в Принстоне (там «отбывал» свои последние годы Эйнштейн, связавший энергию и массу воедино). Макдональд использовал тонну тяжелой воды, помещенную на глубину более двух километров. Уловление нейтрино фиксировалось с помощью 9500 детекторов. Выбор же тяжелой воды обусловлен возможностью протекания двух реакций – той, что в Камиока, и выбиванием нейтрона из ядра дейтерия, что также порождает свечение Черенкова.Усовершенствованные приборы позволили выяснить, что на пути от Солнца к Земле нейтрино… меняют свою идентичность, превращаясь из электронных в мюонные и тау. Это превращение вроде бы нарушало закон сохранения энергии и массы, что в нашем материальном мире недопустимо. В начале 1930-х нейтрино потому и пришлось вводить в расчеты, что только они «спасали» закон, потому что еще в 1914 году Джеймс Чэдвик обратил внимание на «неравенство» бета-излучения с альфа- и гамма- (Нобелевская премия 1935).Смена «характера» нейтрино привела к необходимости понять квантовые закономерности этого процесса, в результате чего была открыта изменчивость нейтрино. Авторы открытия выбрали для названия этого явления латинское слово «осцилляция». Она возможна только при условии различия масс нейтрино. Так было выяснено, что и эти материальные частицы имеют массу, пусть и ничтожно малую. Но с учетом того, что на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно обрушивается поток примерно 60 млрд нейтрино, их общая масса превышает таковую всех звезд Вселенной.Изучение нейтрино, рождающихся в космических «ускорителях» невиданной мощности, позволит, как надеются ученые, наконец-то увидеть реликтовое излучение темной материи. Но это, так сказать локальные задачи. Гораздо важнее, что выявление массы нейтрино привело к возникновению первой трещинки в Стандартной модели нашей Вселенной, на протяжении 20 лет успешно отбивавшей все атаки несогласных теоретиков и экспериментаторов в силу того, что в ней эти частицы безмассовые! Два года назад за теоретическое обоснование существования бозона, придающего массу всему во Вселенной, премию дали Питеру Хиггсу. Уже тогда, можно сказать, для защитников Стандартной модели прозвенел первый тревожный звоночек. Награда этого года двум дотошным экспериментаторам стала вторым.Теперь теоретикам снова надо ломать голову над вопросами, что такое нейтринная масса и почему она так мала, чем эти частицы отличаются от других и есть ли у них античастицы. Решение этих насущных вопросов позволит не только понять природу вселенских «кирпичиков», но и приоткрыть завесу над вечной тайной того, как устроен и функционирует необъятный мир, в котором мы живем. n

Фото Reuters

Тремя годами позже по другую сторону Тихого океана взошла звезда Артура Макдональда, родившегося в канадском Сиднее (Новая Шотландия) в 1943 году. Образование он получил в университете Дэлхауз, затем перебрался в Калифорнийский технологический институт в Лос-Анджелесе, после чего несколько лет провел в Принстоне (там «отбывал» свои последние годы Эйнштейн, связавший энергию и массу воедино). Макдональд использовал тонну тяжелой воды, помещенную на глубину более двух километров. Уловление нейтрино фиксировалось с помощью 9500 детекторов. Выбор же тяжелой воды обусловлен возможностью протекания двух реакций – той, что в Камиока, и выбиванием нейтрона из ядра дейтерия, что также порождает свечение Черенкова.

Усовершенствованные приборы позволили выяснить, что на пути от Солнца к Земле нейтрино… меняют свою идентичность, превращаясь из электронных в мюонные и тау. Это превращение вроде бы нарушало закон сохранения энергии и массы, что в нашем материальном мире недопустимо. В начале 1930-х нейтрино потому и пришлось вводить в расчеты, что только они «спасали» закон, потому что еще в 1914 году Джеймс Чэдвик обратил внимание на «неравенство» бета-излучения с альфа- и гамма- (Нобелевская премия 1935).

Смена «характера» нейтрино привела к необходимости понять квантовые закономерности этого процесса, в результате чего была открыта изменчивость нейтрино. Авторы открытия выбрали для названия этого явления латинское слово «осцилляция». Она возможна только при условии различия масс нейтрино. Так было выяснено, что и эти материальные частицы имеют массу, пусть и ничтожно малую. Но с учетом того, что на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно обрушивается поток примерно 60 млрд нейтрино, их общая масса превышает таковую всех звезд Вселенной.

Изучение нейтрино, рождающихся в космических «ускорителях» невиданной мощности, позволит, как надеются ученые, наконец-то увидеть реликтовое излучение темной материи. Но это, так сказать локальные задачи. Гораздо важнее, что выявление массы нейтрино привело к возникновению первой трещинки в Стандартной модели нашей Вселенной, на протяжении 20 лет успешно отбивавшей все атаки несогласных теоретиков и экспериментаторов в силу того, что в ней эти частицы безмассовые! Два года назад за теоретическое обоснование существования бозона, придающего массу всему во Вселенной, премию дали Питеру Хиггсу. Уже тогда, можно сказать, для защитников Стандартной модели прозвенел первый тревожный звоночек. Награда этого года двум дотошным экспериментаторам стала вторым.

Теперь теоретикам снова надо ломать голову над вопросами, что такое нейтринная масса и почему она так мала, чем эти частицы отличаются от других и есть ли у них античастицы. Решение этих насущных вопросов позволит не только понять природу вселенских «кирпичиков», но и приоткрыть завесу над вечной тайной того, как устроен и функционирует необъятный мир, в котором мы живем.