Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

На прошлой неделе произошло как минимум три важных события в нейтринной физике, привлекших к себе большое внимание ученых и СМИ.

14.09.2015 в 01:52

Земля прошла сквозь нейтринный шторм, обнаружены геонейтрино и заработала крупнейшая нейтринная установка.

Нейтринный фейерверк.

Исследователи, работающие на нейтринном детекторе Icecube, расположенном близ южного полюса и представляющем собой кубический километр льда, сообщили о необычайно сильном с энергетической точки зрения нейтринном ветре, дующем на нашу планету, точнее, на солнечную систему
. Среди полусотни уловленных ими галактических гостей им удалось зарегистрировать нейтрино, несшееся с невиданной прежде энергией, оцененной в 5000-10 триллионов электронвольт. На большом адронном коллайдере частицы разгоняются до энергий примерно в тысячу раз меньше.

Что за дьявольский катаклизм породил этот сумасшедший нейтринный ураган, остается только гадать. Это может оказаться приветом от далекой сверхновой, отрыжкой черной дыры или еще чем-то, о чем мы пока даже и представления не имеем. Физики нейтринной обсерватории Icecube утверждают, что по трекам частиц, рождающихся при столкновении нейтрино с атомом, они способны вычислить направление на источник с точностью до полуградуса, поэтому будем надеяться, что люди с телескопами разберутся с этим вопросом.

Кроме того, в национальной лаборатории ускорителей имени ферми (в просторечии "Фермилаб") на запущенной в феврале прошлого года установке Nova (Neutrinos From the Main Injector Off - Axis Electron Neutrino Appearance) физики зарегистрировали осцилляцию нейтрино в пучке, прошедшем около 800 километров от нейтринной пушки в батавии, штат иллинойс, где расположена лаборатория ферми, до детектора в минесотте близ реки Эш- Ривер. Практически одновременно из итальянской нейтринной обсерватории гран - сассо сообщили об уверенной регистрации так называемых геонейтрино, то есть нейтрино, рождающихся в недрах планеты, что открывает нам возможность лоцировать все основные залежи радиоактивных изотопов, хранящихся там.

Спорткар, который велосипед.

Нейтрино, теоретически предсказанное Вольфгангом Паули еще в 1930-м году и вскоре получившее от Энрико ферми свое итальянское имя - "Маленький Нейтрон" - до сих пор остается одной из самых загадочных и популярных у физиков элементарных частиц. Поначалу постулировалось (и, кстати, постулируется до сих пор стандартной моделью, о чем речь ниже), что эта частица, как и фотон, лишена массы. Потом выяснилось, что масса все-таки есть, но чрезвычайно маленькая, да вдобавок имеются три разновидности этой частицы, друг от друга отличающихся своим "Ароматом" - тау - нейтрино, электронное и мюонное, названных так, поскольку они рождаются в распадах с участием, соответственно, тау - Лептонов, электронов и мюонов. И все они друг от друга массой покоя отличаются. Нейтрино - самая распространенная элементарная частица в мире нормальной (не темной) материи. Можно сказать, что наш мир состоит из нейтрино, ну, и небольшого количества всех остальных частиц. Нейтрино перемещаются со скоростью, очень близкой к световой, участвуют , внимание, только в слабом взаимодействии с радиусом действия не больше радиуса протона, поэтому они практически не общаются с другими элементарными частицами, мгновенно пронизывая все препятствия.

Позднее нейтрино преподнесло физикам еще один сюрприз - осцилляции. Оказалось, что по ходу движения нейтрино вдруг меняет свой аромат и превращается в нейтрино другого типа. С точки зрения здравого смысла это полный абсурд - выезжает на трек "формулы 1" спортивный болид, вдруг превращается в велосипед или автобус и возвращается в исходное состояние, но уже без всякой надежды на подиум и шампанское. Однако в микромире своя логика, там действуют законы квантовой механики.

Эти самые давно открытые осцилляции и были обнаружены в "Фермилабе". На некоторых установках, в частности, в гран - сассо, их уже наблюдали, восторг был в другом. Nova - самая дорогая и совершенная нейтринная установка в мире с рекордным по плотности и мощности нейтринным пучком. Ее строили почти десять лет. Физики возлагают на нее большие надежды, и первый, можно сказать, пробный эксперимент показал, что работает установка корректно.

Состоит Nova из пушки - ускорителя, создающего направленный нейтринный поток, первого детектора, находящегося поблизости и выполняющего роль отк, удостоверяющего, что все пролетающие нейтрино имеют мюонный аромат, а также второго детектора, в миннесотте, - он ловит некоторые из преодолевших 800-километровую дистанцию нейтрино и определяет, чем они "Пахнут".

Из триллионов и триллионов выпущенных мюонных нейтрино вторым детектором в эксперименте было зарегистрировано лишь 33, зато с полной гарантией, что это именно те нейтрино, которые при рождении были мюонными, а не какие-нибудь залетные частицы без проездного. Из тридцати трех восемь частиц превратились в электронные нейтрино, 24 - в тау - нейтрино и лишь одна сохранила мюонный аромат, данный ей от рождения.

Эйфория, охватившая фермилабовцев, объясняется тем, что результат совпал с их предсказаниями, причем с такой точностью, на которую они даже и не надеялись. Значит, есть все шансы на то, что Nova разрешит хотя бы часть тайн, до сих пор окутывающих "Маленький Нейтрон", и поможет узнать о мире то, чего мы пока не знаем.

Из-под земли.

Третья новость - о нейтринных потоках куда менее многочисленных и энергичных. О своих, не понаехавших, нейтрино, рожденных прямо тут, в родной земле. Их с некоторых пор называют геонейтрино.

Геонейтрино - это предсказанные еще Бруно понтекорво электронные антинейтрино, образующиеся в результате распадов урана и тория, а также калия - 40 и рубидия - 87, присутствующих в коре и мантии земли. Предполагается, что тепло, выделяющееся в этих ядерных реакциях, в значительной, если не в полной мере определяет степень нагрева недр нашей планеты, вызывает конвективные потоки в жидкой земной мантии, определяя сейсмическую активность земной коры и обеспечивая планету собственным магнитным полем. А это, между прочим, необходимое условие для возникновения жизни, в том числе и нашей.

Первые экспериментальные подтверждения существования геонейтрино были получены в 2005 году японской нейтринной обсерваторией Kamland. Но дальше у японских физиков дело пошло не так хорошо из-за расположенных поблизости атомных станций, тоже излучающих похожие нейтрино, которые сильно заглушали идущий из недр весьма слабый сигнал.

Однако есть еще одна нейтринная установка, способная этот сигнал улавливать - итальянская нейтринная обсерватория "Борексино", расположенная под горным массивом гран - сассо. До ближайшей АЭС не меньше тысячи километров, так что шумовой фон там на два порядка ниже, чем в Японии. Данные, полученные в Италии еще до 2010 года, позволили уверенно говорить о том, что геонейтрино существуют, однако статистики не хватало.

Развязка наступила на прошлой неделе: суммировав данные, полученные за 2056 дней наблюдений, международная коллаборация "Борексино" (куда, в частности, входит и Россия) опубликовала в журнале Physical Review D статью. Существование геонейтрино подтверждено со статистической значимостью в 5, 9 сигм (то есть с одним шансом на ошибку из 275 миллионов. Стандартные критерии в физике, например, при открытии новой частицы требуют значимости всего в пять сигм.

Как и в случае с "Фермилабом", результаты "борексино" означают лишь начало исследований. Сейчас с большой вероятностью установлено, что основные источники геонейтрино находятся не в земной коре, а в мантии, однако для того, чтобы понять, где именно они расположены, японской и итальянской установок недостаточно, надо посмотреть и с других точек. В будущем ожидается ввод в действие новых детекторов геонейтрино - в Канаде, Финляндии, США, а также в России, в баксанской нейтринной обсерватории.

Нейтринный фестиваль прошлой недели - всего лишь страница из многотомника, посвященного таинственному и трудноуловимому маленькому нейтрону. К нейтрино остается еще много вопросов. Главный из них - отношения нейтрино со стандартной моделью.

Исследователи за последние пару веков открыли пять видов взаимодействий - электрическое, магнитное, слабое, сильное и гравитационное. В позапрошлом веке максвелл объединил электричество с магнетизмом, в прошлом веке Стивен Вайнберг, Абдус салам и Шелдон глэшоу доказали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие - одно и то же, только в разных ракурсах. Затем, благодаря трудам уже целой когорты теоретиков, удалось присоединить к этой компании и квантовую хромодинамику, то есть теорию о сильном взаимодействии. Это было сделано настолько изящно и убедительно с теоретической точки зрения, что мировое физическое сообщество восприняло данный результат поначалу за истину в последней инстанции (точнее, в предпоследней, поскольку гравитацию к этой великолепной четверке пока не присоединили), не дожидаясь экспериментального подтверждения. Всю эту конструкцию осторожно назвали стандартной моделью, а модель на языке физики означает устройство мира, теоретически возможное, ничему не противоречащее, но необязательно существующее в реальности именно в таком виде.

Стандартная модель идеально объясняла все эффекты микромира, и ее триумфом стало открытие обязательного для нее бозона хиггса на большом адронном коллайдере. Однако постепенно накапливались нестыковки, вынуждающие теоретиков производить все новые и новые апгрейды модели, причем все с большим и большим трудом. На сегодня главные претензии к этой изумительной теоретической конструкции, помимо того, что она в принципе не учитывает гравитационного взаимодействия, - отсутствие в ней всякого упоминания о темной материи и темной энергии, а также неприличное поведение главного героя этой статьи - нейтрино. С точки зрения стандартной модели нейтрино должны не иметь массы и уж тем более не осциллировать.

Как разрешится этот конфликт, покажет будущее. Возможно, стороны придут к соглашению или стандартной модели придется уступить место новой физике - теории, еще не созданной, но о которой мечтают многие теоретики.