Теория нейтринных осцилляций, за подтверждение которых присуждена нобелевская премия по физике, была выдвинута в ссср. Лауреат нобелевской премии по физике планирует измерить массу нейтрино Нобелевская премия по физике год

Нобелевская премия по физике в 2015 году присуждена ученым, сделавшим гениальное открытие. Работая параллельно, Такааки Кадзито и Артур Макдональд доказали, что неуловимые частицы, именуемые нейтрино, имеют вес. Разумеется, эти показатели немногим превосходят нулевую отметку, однако теперь наука получила в свое распоряжение объяснения зарождения вселенной в принципе, равно как и многих процессов, происходящих на Земле.

Маленькая нейтральная частица

Нейтрино в переводе с итальянского языка означает «маленький нейтральный». Эти микроскопические частицы не имеют электрического заряда, поэтому ученые долгое время полагали, что нейтрино имеют нулевую массу. Однако опыты, проведенные Кадзито в университете Токио, а также Макдональдом в Канадском королевском университете, полностью опровергли имеющуюся теорию. Представители Нобелевского комитета уже заявили, что это открытие поможет изменить понимание самых сокровенных выработок материи, а также оказать решающий фактор на новое видение Вселенной.

Как проходили испытания

Как мы уже отмечали, ученые совершали опыты параллельно, в двух разных местах. Для этого один детектор был встроен под землю на один километр под японской горой Гифу, а другой на два километра в глубину под старым никелевым рудником в провинции Онтарио. В ходе испытаний ученые обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного состояния в другое, в то время, когда они мчатся в пространстве. Исходя из поведения частиц, меняющих свою форму, можно с уверенностью констатировать, что масса нейтрино существует.

Что рассказали лауреаты

Отвечая на вопросы журналистов после того, как были объявлены лауреаты по физике, Макдональд описал свое состояние коротким и емким архимедовским «Эврика!», добавив, что это был непростой опыт. К счастью у исследователя было много коллег, которые помогали ему в работе и которые в данный момент готовы разделить его радость.

Когда Кадзито узнал о том, что стал победителем, он смог произнести одно лишь слово: «Невероятно». На пресс-конференции, проходившей в Токио, нобелевский лауреат добавил, что жаждет поблагодарить нейтрино. И так как эти частицы создаются космическими лучами, он благодарит и космос.

Самые распространенные частицы во Вселенной

Нейтрино являются одними из наиболее распространенных частиц во Вселенной. Никто из нас не может почувствовать, как миллиарды из них проходят сквозь наше тело каждую секунду. Мы не ощущаем их, но они существуют. Многие из этих частиц стали последствием Большого взрыва, они постоянно создаются в недрах Земли в процессе радиоактивного распада, эти частицы посылаются на Землю солнечными лучами, они способны возникать из взрывов звезд, а также других ядерных явлений.

Открытие существования нейтрино

Сегодняшнее открытие не смогло бы иметь место без обнаружения следов нейтрино, которое датируется 1956 годом. Еще ранее ученые предполагали, что такие частицы могут существовать, но не имели технической возможности выйти на их след. Всего существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Польза, которую извлечет современная наука

Фундаментальная работа проводилась в двух обсерваториях с разных сторон Земли в течение долгого промежутка времени. Так, еще в 1998 году команда Кадзито обнаружила, что нейтрино создаются при проникновении космических лучей в атмосферу земли, а на своем пути к детектору под гору Камиоко частицы изменили свою идентичность. Аналогичный процесс тремя годами позднее обнаружила группа Макдональда, улавливая нейтрино, идущие от солнца в обсерватории Садбери. Это открытие поможет завершить объяснение фундаментальных строительных блоков вселенной, а также найдет практическое применение в разработке ядерного синтеза.

Заключение

Теперь ученые знают, что масса нейтрино более чем в миллион раз меньше, чем масса электрона. Но так как микроскопические частицы настолько многочисленные, по оценкам экспертов, общий вес нейтрино может быть приравнен к общей массе всех видимых звезд во вселенной.

МОСКВА, 6 окт - РИА Новости . Канадский физик Артур Макдональд, получивший Нобелевскую премию 2015 года вместе японцем Такааки Каджита за открытие нейтринных осцилляций, мечтает об измерении точной массы нейтрино, которая позволила бы ученым раскрыть секрет рождения Вселенной, о чем он сообщил на пресс-конференции в Стокгольме.

"Да, у нас действительно есть еще масса вопросов по поводу того, что собой представляют нейтрино и как их трансформации вписываются в Стандартную Модель физики. Мы пока не знаем, чему равна масса нейтрино, и сейчас в наших лабораториях проводятся эксперименты, в рамках которых мы пытаемся вычислить ее и понять, существуют ли другие типы этих частиц", — заявил ученый.

Макдональд и Каджита стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2015 год благодаря открытому ими в 1998 году феномену нейтринных осцилляций - способности этих неуловимых частиц "переключаться" между тремя типами: электронными, мюонными и тау-нейтрино.

Нейтрино представляют собой электрически нейтральные элементарные частицы, которые возникают в результате ядерных реакций разного типа, в частности на ядерных реакторах, или рождаются на Солнце и попадают на Землю с космическими лучами. Они отличаются крайне высокой проникающей способностью. Нейтрино может пролететь сквозь сотни метров бетона и "не заметить" препятствия.

Способность разных типов нейтрино превращаться друг в друга может существовать только в том случае, если эта частица имеет ненулевую массу. От наличия массы у нейтрино зависят оценки массы Вселенной, а значит представления о ее дальнейшей судьбе. Кроме того, ненулевая масса нейтрино может объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней практически нет, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества того и другого.

Открытие Макдональда и Каджиты было окончательно подтверждено только летом 2015 года, когда физики ЦЕРН зафиксировали пятое тау-нейтрино в потоке мюонных нейтрино, движущихся из Швейцарии в Италию, где расположен знаменитый детектор OPERA, породивший сенсацию со "сверхсветовыми нейтрино" в 2011 году, которая была вскоре опровергнута.

Сейчас нельзя предсказать, как будут использоваться результаты изучения нейтрино, считают эксперты. Однако некоторые практические результаты у этих исследований все-таки уже есть или их можно ожидать в ближайшем будущем.

Как рассказали российские ученые РИА "Новости" в рамках "Научного понедельника", с помощью нейтриноскопии Земли можно составлять карты пород в недрах Земли, изучать историю извержений вулканов и таяния льдов в Антарктике, а также следить за работой атомных электростанций и отслеживать испытания ядерного оружия.

Надо добавить, что все эти первоначальные свидетельства в пользу нейтринных осцилляций были получены в «экспериментах по исчезновению». Это эксперименты такого типа, когда мы измеряем поток, видим, что он слабее, чем ожидалось, и догадываемся, что искомые нейтрино превратились в другой сорт. Для большей убедительности нужно тот же процесс увидеть и напрямую, через «эксперимент по возникновению» нейтрино. Такие эксперименты сейчас тоже ведутся, и их результаты согласуются с экспериментами по исчезновению. Например, в ЦЕРНе есть специальная ускорительная линия, которая «стреляет» мощным пучком мюонных нейтрино в направлении итальянской лаборатории Гран-Сассо, находящейся за 732 км от нее. Установленный в Италии детектор OPERA ищет в этом потоке тау-нейтрино. За пять лет работы OPERA поймала уже пять тау-нейтрино, так что это окончательно доказывает реальность обнаруженных ранее осцилляций.

Акт второй: солнечная аномалия

Вторая загадка нейтринной физики, требовавшая разрешения, касалась солнечных нейтрино . Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза, они сопровождают те реакции, за счет которых Солнце и светит. Благодаря современной астрофизике мы хорошо знаем, что должно происходить в центре Солнца, а значит, можем вычислить темп производства там нейтрино и их поток, попадающий на Землю. Измерив этот поток в эксперименте (рис. 6), мы тем самым сможем впервые заглянуть прямо в центр Солнца и проверить, насколько хорошо мы понимаем его устройство и работу.

Эксперименты по регистрации солнечных нейтрино проводятся с 1960-х годов; часть Нобелевской премии по физике за 2002 год ушла как раз за эти наблюдения. Поскольку энергия солнечных нейтрино маленькая, порядка МэВ и меньше, нейтринный детектор не может определить их направление, а лишь фиксирует количество событий ядерных превращений, вызванных нейтрино. И здесь тоже сразу же возникла и постепенно крепла проблема. Например, эксперимент Homestake , проработавший около 25 лет, показал, что, несмотря на флуктуации, регистрируемый им поток в среднем в три раза меньше предсказанного астрофизиками. Эти данные были в 90-х годах подтверждены и другими экспериментами, в частности Gallex и SAGE .

Уверенность в том, что детектор работает правильно, была настолько велика, что многие физики склонялись к тому, что астрофизические теоретические предсказания где-то дают сбой - уж слишком сложные процессы идут в центре Солнца. Однако астрофизики уточняли модель и настаивали на надежности предсказаний. Таким образом, проблема не исчезала и требовала объяснения.

Конечно, и здесь теоретики уже давно думали о нейтринных осцилляциях. Предполагалось, что на пути из солнечных недр часть электронных нейтрино превращается в мюонные или тау. А поскольку эксперименты типа Homestake и GALLEX в силу своего устройства ловят исключительно электронные нейтрино, то они их и недосчитываются. Более того, в 70-80-х годах теоретики предсказали, что нейтрино, распространяющееся внутри Солнца, должно осциллировать слегка иначе, чем в вакууме (это явление получило название эффекта Михеева–Смирнова–Вольфенштейна), что тоже могло бы помочь с объяснением солнечной аномалии.

Чтобы разрешить проблему солнечных нейтрино, требовалось сделать простую, казалось бы, вещь: построить такой детектор, который смог бы улавливать полный поток всех типов нейтрино, а также, отдельно, поток нейтрино электронных. Именно тогда можно будет убедиться, что нейтрино, произведенные внутри Солнца, не исчезают, а просто меняют свой сорт. Но из-за малости энергии нейтрино это было проблематично: ведь они не могут превратиться в мюон или тау-лептон. Значит, искать их надо как-то иначе.

Детектор Super-Kamiokande попробовал справиться с этой задачей, используя упругое рассеяние нейтрино на электронах атома и регистрируя ту отдачу, которую получает электрон. Такой процесс, в принципе, чувствителен к нейтрино всех сортов, но из-за особенностей слабого взаимодействия подавляющий вклад в него дает электронное нейтрино. Поэтому чувствительность к полному нейтринному потоку оказалась слабой.

И вот здесь решающее слово сказал другой нейтринный детектор, SNO. В нем, в отличие от Super-Kamiokande, использовалась не обычная, а тяжелая вода, содержащая дейтерий. Ядро дейтерия - дейтрон - это слабо связанная система протона и нейтрона. От удара нейтрино с энергией несколько МэВ дейтрон может развалиться на протон и нейтрон: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Такой процесс, вызванный нейтральной компонентой слабого взаимодействия (переносчик - Z-бозон), имеет одинаковую чувствительность к нейтрино всех трех типов, а регистрируется он легко по захвату нейтрона ядрами дейтерия и высвечиванию гамма-кванта. Кроме того, SNO отдельно может регистрировать и чисто электронные нейтрино по расщеплению дейтрона на два протона, \(\nu_e + d \to e + p + p\), которое происходит за счет заряженной компоненты слабых взаимодействий (переносчик - W-бозон).

Коллаборация SNO начала набирать статистику в 1998 году, и, когда данных накопилось достаточно, она в двух публикациях, 2001-го и 2002 года, представила результаты измерения полного нейтринного потока и его электронной компоненты (см.: Measurement of the Rate of ν e +d →p +p +e B и ). И как-то всё вдруг встало на свои места. Полный поток нейтрино действительно совпал с тем, что предсказывала солнечная модель. Электронная часть действительно составляла всего лишь треть от этого потока, в согласии с более ранними многочисленными экспериментами прошлого поколения. Таким образом, никуда солнечные нейтрино не потерялись - просто, родившись в центре Солнца в форме электронных нейтрино, они действительно на пути к Земле перешли в нейтрино другого сорта.

Акт третий, продолжающийся

Тогда, на рубеже веков, проводились и другие нейтринные эксперименты. И хотя физики давно подозревали, что нейтрино осциллируют, именно Super-Kamiokande и SNO представили неопровержимые аргументы - в этом их научная заслуга. После их результатов в нейтринной физике как-то разом произошел фазовый переход: мучавшие всех проблемы исчезли, а осцилляции стали фактом, предметом экспериментальных исследований, а не только теоретических рассуждений. Нейтринная физика прошла через стадию взрывообразного роста, и сейчас это одна из самых активных областей физики элементарных частиц. В ней совершаются регулярно новые открытия, по всему миру запускаются новые экспериментальные установки - детекторы атмосферных, космических, реакторных, ускорительных нейтрино, - а тысячи теоретиков пытаются найти в измеренных параметрах нейтрино намеки на Новую физику.

Не исключено, что рано или поздно удастся именно в таком поиске нащупать некую теорию, которая придет на смену Стандартной модели, свяжет воедино несколько наблюдений и позволит естественным способом объяснить и нейтринные массы и осцилляции, и темную материю, и происхождение асимметрии между веществом и антивеществом в нашем мире, и другие загадки. То, что нейтринный сектор стал ключевым игроком этого поиска, - во многом заслуга Super-Kamiokande и SNO.

Источники:
1) Super-Kamiokande Collaboration. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos // Phys. Rev. Lett. V. 81. Published 24 August 1998.
2) SNO Collaboration. Measurement of the Rate of ν e +d →p +p +e − Interactions Produced by 8 B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 87. Published 25 July 2001.
3) SNO Collaboration. Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 89. Published 13 June 2002.

Такааки Каита (Takaaki Kajita) и Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald)

Нобелевская премия по физике 2015 года присуждена за открытие нейтринных осцилляций. Лауреатами премии стали ученые Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald) из Канады и Такааки Каита (Takaaki Kajita) из Японии.

За их важный вклад в эксперименты, которые продемонстрировали, что нейтрино может менять состояние. Эта метаморфоза требует, чтобы у нейтрино имелась масса. Открытие ученых изменило наше представление о материи и может решающим образом изменить наше представление о Вселенной, — сообщили в Нобелевском комитете.

Макдональд является профессором Калифорнийского технологического института (США) и почетным профессором Университета Куинс (Канада). Такааки Каита возглавляет Институт исследования космических лучей и является профессором Университета Токио.

В прошлом году Нобелевскую премию по физике вручили Исаму Акасаки (Япония), Хироси Амано (Япония) и Сюдзи Накамуре (США) за изобретение нового энергоэффективного и экологически чистого источника света — голубого светоизлучающего диода (LED). Изобретение ученых — эффективная альтернатива привычных электрических лампочек.

Наибольшее число премий по физике было присуждено за исследования элементарных частиц (34), в ядерной физике (28), физике конденсированного состояния (28) и квантовой механике (11), сообщает BBC. Самым известным Нобелевским лауреатом всех времен, дисциплин и народов стал Альберт Эйнштейн. В 1921 году он получил Нобелевскую премию по физике — как было сказано, За заслуги в области теоретической физики, и в особенности за открытие фотоэлектрического эффекта.

Канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно поставило точку в этом вопросе.

Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80 лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра (его полного момента количества движения).

Вторая проблема - непрерывного спектра электронов в бета-распаде (этот распад изменяет заряд ядра на единицу и приводит к испусканию электрона или его античастицы - позитрона) - связана с тем, что в опытах по бета-распаду энергии образующихся электронов изменялись непрерывным образом в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).

Две проблемы не давали покоя физикам, поскольку приводили к нарушению законов сохранения - импульса, момента импульса и энергии. Некоторые ученые, в частности, датчанин Нильс Бор, даже предположили, что пришло время пересмотреть энергетические основы физики и отказаться от законов сохранения. К счастью, этого не пришлось делать.

Всех успокоил швейцарский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбинген. «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые обладают спином 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и "нейтрон" - таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной», - сообщал ученый.

«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.

Нейтрино (итальянское «маленький нейтрон») дал имя итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.

Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц - промежуточных векторных бозонов - и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.

Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил - скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый - имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.

Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.

Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них - протоны, электроны и нейтрино).

Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.

Под осцилляциями нейтрино подразумеваются взаимопревращения одного сорта этих частиц в другие. Всего существуют три типа нейтрино (и, возможно, три типа отвечающих им античастиц): электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном, мюоном и таоном они образуют шесть лептонов - класс бесструктурных элементарных частиц. Адроны тоже считаются элементарными частицами, однако состоят из кварков, которые вследствие явления асимптотической свободы (невылетания) не могут наблюдаться в свободном состоянии.

Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики - ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).

Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.

В классической версии Стандартной модели (СМ) - современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), - нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, - это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.

Теоретически нейтринные осцилляции включаются в СМ матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания (среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино так называемыми майорановскими частицами, но об этом - ниже). В этом смысле принятие ненулевой массы нейтрино никак не означает какого-то принципиально нового расширения СМ.

Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином - именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы - в частности, электроны и их античастицы - позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.

В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.

Вейлевские фермионы ученым обнаружить, но только в форме квазичастиц. Частицы физики обнаружили в экспериментах по прохождению света через одну из форм кристаллов арсенида тантала (соединения мышьяка и тантала). Ученые сумели выбрать из всего многообразия таких кристаллов (их оптические свойства зависят от частоты падающего излучения) соединения с необходимыми физическими свойствами. Материал с такими квазичастицами может найти применение в компьютерах будущего.

Искать майорановские нейтрино можно различными способами. Самый распространенный из них заключается в поиске безнейтринного двойного бета-распада, в результате которого электрический заряд атомного ядра увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Двойной бета-распад - разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу.

В Стандартной модели - современной теории физики элементарных частиц - безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).

До сих пор ученые не обнаружили майорановские нейтрино, и прогнозы тут пока неутешительные. Поиски майорановских нейтрино и попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются стремлением физиков выйти за пределы СМ: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда - электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, а их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения СМ (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).

Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи - таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.

Массивные нейтрино, как и их суперпартнеры - снейтрино, входят в состав многих расширений СМ, прежде всего суперсимметричных. В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице ставится в соответствие ее частица-парнер. Например, для фотона - фотино, кварка - скварк, хиггса - хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы - это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).

Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения углов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для суперсимметричных моделей были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако на ее основе все еще существуют возможность построения непротиворечивой модели физики частиц.

С нейтрино связано много тайн, скандалов и известных открытий, а говорить о ней можно очень долго. Так, итальянец Этторе Майорана бесследно исчез во время плавания из Неаполя в Палермо, а Исаак Померанчук - ученик советского физика Льва Ландау - считал создание в 1955 году теории двухкомпонентного нейтрино (над ней также работали Ли Цзундао, Янг Чжэньнин и Абдус Салам) вершиной научного творчества своего учителя.

В 2011 году коллаборация OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) объявила об обнаружении сверхсветовых нейтрино. Позднее ученые признали свое открытие ошибочным и отказались от него. Не обошли вниманием нейтрино и писатели. В романе Станислава Лема «Солярис» описывались «гости» - разумные существа из нейтрино.

Каждое открытие, связанное с нейтрино, отмечается вниманием Нобелевского комитета. И неслучайно: все развитие физики элементарных частиц в XX веке неразрывно связано с этой частицей, тем не менее о ней известно чрезвычайно мало - меньше нее изучен только бозон Хиггса. 85 лет истории исследований нейтрино так и не позволили определить ее массу, а непрозрачность ее свойств позволила физикам связать дальнейший прогресс в науке с прогнозированием потенциальных свойств этой частицы.

Главная » Времена в английском языке » Теория нейтринных осцилляций, за подтверждение которых присуждена нобелевская премия по физике, была выдвинута в ссср. Лауреат нобелевской премии по физике планирует измерить массу нейтрино Нобелевская премия по физике год