За теорию — Ленинская, за эксперимент — Нобелевская

Теория нейтринных осцилляций, за подтверждение которых присуждена Нобелевская премия по физике, была выдвинута в СССР

Павел Котляр, Николай Подорванюк 06.10.2015, 14:59
Детектор нейтрино на установке Super-Kamiokande Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo
Детектор нейтрино на установке Super-Kamiokande

Нобелевская премия по физике 2015 года вручена за экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций. О советских корнях этого открытия, подробностях экспериментов и их лауреатах рассказывает отдел науки «Газеты.Ru» при участии физика Андрей Ростовцева.

Нейтрино пронизывает нас

Каждую секунду сквозь наше тело пролетают тысячи миллиардов нейтрино, но мы их не чувствуем и не видим. Нейтрино проносятся в космическом пространстве практически со скоростью света, но при этом почти не взаимодействуют с материей. Часть нейтрино возникли еще в момент Большого взрыва, другие постоянно рождаются в результате разнообразных процессов, происходящих в космосе и на Земле, — от взрывов сверхновых и гибели крупных звезд до реакций, протекающих на атомных электростанциях. Даже внутри нашего тела каждую секунду рождается около 5 тыс. нейтрино — это происходит при распаде изотопа калия.

Большая часть тех нейтрино, которые достигают Земли, рождается внутри Солнца, из-за происходящих внутри него ядерных реакций.

После частиц света — фотонов — нейтрино являются самыми распространенными частицами в нашей Вселенной.

В течение длительного времени ученые не были уверены в существовании нейтрино. Когда австрийский физик Вольфганг Паули (который стал лауреатом Нобелевской премии по физике 1945 года) предсказал существование этой частицы, с его стороны это была всего лишь попытка объяснить выполнение закона сохранения энергии при бета-распаде нейтрона на протон и электрон.

Вскоре итальянец Энрико Ферми (нобелевский лауреат 1938 года) сформулировал теорию, которая включала в себя предложенную Паули легкую нейтральную частицу, назвав ее «нейтрино».

Тогда никто не предполагал, что эта крошечная частица произведет революцию как в физике, так и в изучении космоса.

До экспериментального подтверждения существования нейтрино прошла почти четверть века — это стало возможным лишь в 1950-х годах, когда нейтрино стали испускаться появлявшимися атомными электростанциями. В июне 1956 года два американских физика — Фредерик Райнес (нобелевский лауреат 1995 года) и Клайд Кован — отправили Вольфгангу Паули телеграмму, в которой сообщали, что их детектору удалось зафиксировать следы нейтрино. Это открытие окончательно доказало: призрачный нейтрино, который иногда называли «полтергейстом», — реальная частица.

Загадка на полвека

Вопрос о природе нейтрино возник после экспериментов Раймонда Дэвиса, основанных на хлор-аргонном методе, предложенном советско-итальянским физиком Бруно Понтекорво. 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 лишь примерно треть от количества предсказанных частиц. Этот парадокс стоял перед учеными почти полвека, объяснений было несколько. Одно из них (оказавшееся правильным, состоявшее в том, что нейтрино может превращаться из одного сорта в другой) предложил как раз Понтекорво в 1957 году.

Бруно Максимович Понтекорво выдвинул теорию нейтринных осцилляций в 1957 году. Источник: museum.jinr.ru
Бруно Максимович Понтекорво выдвинул теорию нейтринных осцилляций в 1957 году. Источник: museum.jinr.ru

Шесть лет спустя в том числе и за эту работу ученый получил Ленинскую премию.

«Теоретики не могли ничего подвинуть в своих уравнения термоядерных реакций, а значит, нейтрино либо исчезали, либо во что-то превращались», — говорит доктор физико-математических наук Андрей Ростовцев, специалист в области элементарных частиц.

Окончательно решить полувековую загадку смог грандиозный японский эксперимент Super-Kamiokande. Он представлял собой гигантскую бочку под землей, заполненную дистиллированной водой и пронизанную тысячами детекторов черенковского излучения, на которых сегодня основаны все существующие нейтринные телескопы. При бомбардировке космическими частицами земной атмосферы рождается множество вторичных частиц, в том числе нейтрино, в основном мюонные. «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.

То есть они увидели осцилляционную картину: если в какой-то точке родилось мюонное нейтрино, то можно сказать, сколько электронных и мюонных нейтрино будет в потоке через километр», — пояснил Ростовцев.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015 года Такааки Кадзита (слева) и Артур Макдональд. Источник: nobelprize.org
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015 года Такааки Кадзита (слева) и Артур Макдональд. Источник: nobelprize.org

На Super-Kamiokande работал японец Такааки Кадзита, ставший во вторник лауреатом Нобелевской премии. Второй лауреат — Артур Макдональд, руководитель аналогичного низкофонового канадского эксперимента SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Если японский эксперимент ловил высокоэнергичные нейтрино энергий выше 1 ГэВ, то канадский фиксировал менее энергичные частицы, приходившие от Солнца.

Детектор нейтрино на установке Sudbury Neutrino Observatory. Источник: A.B. McDonald (Queen's University)/The Sudbury Neutrino Observatory Institute
Детектор нейтрино на установке Sudbury Neutrino Observatory. Источник: A.B. McDonald (Queen's University)/The Sudbury Neutrino Observatory Institute

Опыты показали, что раз нейтрино превращаются друг в друга, то они имеют массу, причем каждое поколение — свою. Сегодня на эти массы установлены лишь верхние пределы, а вероятность осцилляции пропорциональна разнице между квадратами масс.

«Я бы не сказал, что это было революцией в понимании мира, но эти ученые расширили Стандартную модель — большой набор параметров, о природе которых мы не знаем. Зачем нейтрино нужно осциллировать, никто не знает, как никто не знает и природу Стандартной модели. Премия заслуженная, ведь после экспериментов Дэвиса эта проблема стояла перед экспериментаторами как проблема бозона Хиггса. Это эпохальные эксперименты, поэтому премия нашла своих героев», — считает физик.

Предсказатели выполнили задачу-минимум

Ранее компанией Thomson Reuters кандидатами на получение Нобелевской премии по физике 2015 года назывались Пол Коркум и Ференц Кауш за вклад в развитие аттосекундной физики. Среди потенциальных кандидатов также назывались Дебора Джин, получившая первый фермионный конденсат, и Чжун Линь Ван, изобретатель пьезотронного наногенератора.

Впрочем, один из нынешних лауреатов — Артур Макдональд — входил в список лауреатов на «Нобеля» в 2007 году, поэтому эксперты Thomson Reuters могут торжествовать.

В 2014 году за разработку голубых оптических диодов премию получили японские ученые.

Самая успешная для СССР/России

Среди отечественных деятелей науки и культуры самыми успешными в плане получения Нобелевских премий являются именно физики.

В 1958 году премию получили Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк «за открытие и интерпретацию эффекта Черенкова». Через четыре года лауреатом стал Лев Ландау «за пионерские теории в области физики конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия». Еще через два года Нобелевский комитет отметил Николая Басова и Александра Прохорова «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе». В 1978 году Петр Капица получил награду «за основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур».

В 2000-м лауреатом стал Жорес Алферов «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптической электронике». В 2003 году Нобелевскую премию вручили Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу «за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести».

Наконец, в 2010 году имеющий российский паспорт, но работающий в Англии Константин Новоселов стал самым молодым в истории лауреатом Нобелевской премии за открытие графена вместе с выходцем из России Андреем Геймом.

С учетом нынешнего года лауреатами Нобелевской премии по физике стали 200 ученых.

Размер Нобелевской премии в 2015 году составит 8 млн шведских крон, что составляет $960 тыс.

В среду будут названы лауреаты Нобелевской премии по химии.