Нобелевская премия по физике присуждена за доказательство массы у нейтрино
Москва, 08:54, 07 Окт 2015, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
Канадец Артур Б МакДональд и японец Такааки Kaдзита выиграли в этом году Нобелевскую премию по физике за свое удивительное открытие, что крохотные, субатомные частицы, называемые нейтрино, оказывается, имеют массу.
Их экспериментальные результаты заставили ученых переосмыслить «стандартную модель» физики частиц, которая успешно объяснила все вопросы субатомного мира на протяжении десятилетий.
Что такое нейтрино? Нейтрино образуются при распаде радиоактивных изотопов и были окутаны тайной с тех пор, как Вольфганг Паули впервые предложил их в 1930 году.
В стандартной модели, они, как предполагалось, не имеют массы (например, частицы света, фотоны) и являются нейтральными (лишенными электрического заряда). Это помогало объяснить, почему нейтрино обычно проходят прямо через вещество без взаимодействия, что делает их чрезвычайно трудно обнаруживаемыми. Огромные инструменты пытались уловить их в количестве, достаточном для исследования свойств.
Нейтрино впервые непосредственно наблюдались в эксперименте Коуэн-Райнеса в 1956 году, использовавшего ядерный реактор в качестве источника и две большие цистерны с водой. Если нейтрино взаимодействовали с ядрами в детекторе, это приводило к вспышке света, которая могла быть подхвачена фотоэлектронными умножителями, установленными между цистернами. Фредерик Райнес получил Нобелевскую премию в 1995 году за эту работу.
Однако, когда детекторы стали достаточно чувствительными, чтобы наблюдать нейтрино, рождающихся в ядерных реакциях на Солнце, ученые столкнулись с большой проблемой. Они подсчитали количество нейтрино от Солнца, которые должны были столкнуться с Землей, но наблюдали лишь треть из этого числа в своих экспериментах. Нобелевская премия была вручена Рэй Дэвису в 2002 году за это открытие.
Тайна этих недостающих нейтрино была названа «проблемой солнечных нейтрино» и оставалось загадкой на протяжении сорока лет, до тех пор, пока сотрудничество Кадзита и МакДональда не привело к чудесному открытию.
Есть три различных типа нейтрино – электронные, мюонные и тау – которые имеют слегка различную массу и могут взаимодействовать с другими частицами по-разному. В 1998 году, Кадзита сообщил, что Супер-Камиокандэ эксперимент в Японии установил, что нейтрино осциллируют между этими типами, что возможно, благодаря странным правилам квантовой механики.
Супер-Камиокандэ обнаружены мюон-нейтрино, исходящие сверху, из атмосферы, а также попадающие на детектор снизу, после из прохождения сквозь Землю. Поскольку нейтрино взаимодействуют с большим трудом, должно было быть одинаковое число нейтрино, идущих с двух направлений. Однако мюон-нейтрино, которые пришли из атмосферы, были более многочисленны, чем те, что проходили сквозь планету. Это означает, что мюон-нейтрино, которые путешествовали дольше, имели больше времени, чтобы превратиться в тау-нейтрино, которые могли бы обойти детекторы.
Эти результаты были подтверждены в 2001 году Артуром Б МакДональдом, на этот раз путем обнаружения осцилляций нейтрино от Солнца. Тщательно соблюдая взаимодействий нейтрино с «тяжелой водой», он смог определить общее число нейтрино, а также доли электрон-нейтрино. МакДональд убедительно показал, что нет никаких «пропавших нейтрино», после того, как все их типы были учтены. Открытие Кадзита и МакДональда решило «проблему солнечных нейтрино», сумев объяснить, куда деваются недостающие нейтрино. Нейтрино просто поменяли свой тип на пути от Солнца до детектора, что означает, что они не могли быть зафиксированы.
Открытие также показало, что стандартная модель является неполной, так как такие колебания типов невозможны в отсутствии массы нейтрино. Теперь, когда мы знаем, что нейтрино имеют массы, нужны новые теории, чтобы объяснить, как они приобретают ее. Если новые фундаментальные частицы ответственны за массу нейтрино, одна из них, вполне могла бы быть «темной материей», таинственной субстанцией, которая составляет подавляющее большинство материи во Вселенной.
