Юный техник, 2015 № 12

Вопрос о природе нейтрино возник после экспериментов американца Раймонда Дэвиса, основанных на хлораргонном методе, предложенном физиком Бруно Понтекорво, много работавшим за границей и в СССР. Механизм рождения их на Солнце давно был известен, термоядерные реакции и их выход, необходимый для того, чтобы Солнце «грело», был просчитан в уравнениях. Но эксперимент показал, что на деле от Солнца приходит всего лишь треть от количества предсказанных частиц.

Физик Бруно Максимович Понтекорво.

Куда деваются остальные? Этот вопрос стоял перед учеными почти пол века, объяснений было несколько.

Одно из них, оказавшееся верным, состояло в том, что нейтрино может превращаться из одного вида в другой — скажем, из электронного в мюонное. Его-то как раз и предложил Б. Понтекорво в 1957 году.

Окончательно решить полувековую загадку помог японский эксперимент с помощью нейтринного детектора Super-Kamiokande. Он представлял собой гигантскую бочку под землей, заполненную дистиллированной водой и пронизанную тысячами фотодетекторов. При бомбардировке космическими частицами земной атмосферы рождается множество вторичных частиц, в том числе нейтрино.

«В этом эксперименте физики научились мерить и электронные, и мюонные нейтрино, но самое главное — они знали направление прихода этих частиц. И зная расстояние до точки, где первичная частица вошла в атмосферу, они видели, как меняется соотношение мюонных и электронных частиц в зависимости от пройденного ими расстояния, — пояснил журналистам суть дела доктор физико-математических наук Андрей Ростовцев, специалист в области элементарных частиц. — То есть они увидели осцилляционную картину и научились предсказывать, если в какой-то точке родилось мюонное нейтрино, сколько электронных и мюонных нейтрино будет в потоке через километр»…

Таким образом, нейтринные осцилляции — это превращения нейтрино одного вида (электронного, мюонного или тау-нейтрино) в частицы другого вида или далее в антинейтрино. Открытие было сделано практически одновременно на двух детекторах — уже упомянутом Super-Kamiokande (Япония), где работал Такааки Кадзита, и в нейтринной обсерватории в Садбери (Канада), где трудился Артур Макдональд.

Оба лауреата, как отмечает Нобелевский комитет, внесли определяющий вклад в проведение подобных экспериментов.

Выше скорости света?

Через некоторое время выяснилось, что и скорость передвижения нейтрино тоже точно не известна. Некоторые исследователи даже предположили, что эти частицы движутся со… сверхсветовой скоростью!

Первые сообщения о регистрации мюонных нейтрино, движущихся со сверхсветовой скоростью, появились 23 сентября 2011 года. Тогда удалось установить, что нейтрино из одной точки приходят в другую в среднем на 60 наносекунд раньше расчетного времени. То есть получалось, что частицы движутся с 1,0000248 световой скорости.

Теоретики скептически отнеслись к этим данным, поскольку, согласно теории относительности, ни одна материальная частица не может иметь скорость выше световой. Споры велись довольно долго. Одни экспериментаторы настаивали на правильности своих измерений, другие говорили о возможной ошибке и перепроверке результатов. В конце концов, выяснилось, что права все-таки теория относительности. И ошибка в измерениях вышла из-за плохого соединения оптоволоконного кабеля, подводящего внешний GPS-сигнал в экспериментальную установку. Из-за этого время пролета частиц измерялось неправильно.

Загадки все же остаются

Но даже после этого оказалось, что у нейтрино еще немало весьма специфических особенностей. Работы Артура Макдональда и Такааки Кадзита показали, что физики правильно понимают процессы, происходящие в недрах Солнца и других звезд. В то же время они дали понять, что существует некая новая физика, выходящая за рамки так называемой Стандартной модели. То есть мы еще не все знаем о Вселенной. Но можем узнать, отслеживая осцилляции нейтрино, благодаря которым, как теперь считают, рождаются ядра тяжелых элементов.

«Большая часть загадок перестала быть таковыми после того, как обсерватория Садбери произвела измерения параметров потока нейтрино, излучаемого Солнцем, — пишут представители Нобелевского комитета в своем пресс-релизе. — Однако дальнейшее изучение этих таинственных частиц, процессов их осцилляции, особенностей их взаимодействия с материей и полями может дать ученым массу ключей к разгадкам некоторых фундаментальных тайн нашей Вселенной».

Детектор нейтрино на японской установке Super-Kainiokande.

Другим практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведенные в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления. Сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива.