Недавно весь мир узнал имена новых нобелевских лауреатов по физике. Ими стали японский и канадский ученые Такааки Кадзита и Артур Макдональд. За что вручают награду 2015 года, ведутся ли подобные исследования в России и о своих взглядах на Нобелевскую премию, рассказал декан физического факультета НГУ и заместитель директора Института ядерной физики СО РАН Александр Бондарь.
История одного дефицита
Нобелевскую премию по физике присудили за открытие нейтринных осцилляций, подтверждающих наличие массы у нейтрино. Впервые предположение о существовании нейтрино (элементарной частицы с нулевым зарядом) сделал в 1930 г. известный физик Вольфганг Паули. Ученый предположил, что в результате бета-распада радиоактивных ядер получается некая неуловимая частица, которую невозможно зарегистрировать ни одним из известных на тот момент методов. Экспериментально наблюдать частицу удалось в 1955 году Фредерику Райнесу и Клайду Коуэну, которые обнаружили поток нейтрино от ядерных реакторов.
«В 1957 году известный советско-итальянский физик Бруно Понтекорво написал пионерскую работу, посвященную нейтрино. Было известно о существовании двух видов нейтрино: электронного и мюонного (впоследствии открыли третий вид – тау-нейтрино – прим. редакции). Понтекорво предположил: если у нейтрино есть масса, пусть даже небольшая, то возможен переход – осцилляция – одного типа в другой через какой-то временной интервал», – рассказывает Александр Бондарь.
«Эта идея рассматривалась как экзотическая теория, пока в 60-е годы ученый Раймонд Дэвис не взялся за эксперимент – попытку измерить поток электронного нейтрино, идущий от Солнца. Солнце светит за счет термоядерных реакций, в которых производится громадное количество нейтрино. Также как и свет, оно излучается и распространяется в пространстве. Однако в отличие от света, нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому мы его не видим и не ощущаем».
Для регистрации нейтрино физик использовал хлор-аргонную реакцию, предложенную Понтекорво: изотоп хлора (37Cl) взаимодействует с нейтрино и превращается в аргон (37Ar) и электрон. Изотоп аргона можно было выделить химическим путем и тем самым подтвердить наличие реакции. Свою подземную лабораторию Дэвис построил в шахте на глубине 1400 метров. В ней он разместил громадный детектор, заполненный несколькими сотнями тонн перхлорэтилена. В 1970 г. ученому удалось зафиксировать поток нейтрино.
«И здесь всех ожидал сюрприз: измеренный поток электронных (солнечных) нейтрино оказался в три раза меньше предсказанного на основании теоретических расчетов. Выяснить причину “дефицита солнечных нейтрино” на тот момент не удалось».
Впоследствии стали высказываться предположения об осцилляции нейтрино, однако реально процесс никто не наблюдал.
Такааки Кадзита и Артур Макдональд
В конце 90-х гг. в Японии был запущен большой эксперимент Super Kamiokande. Под землей на глубине 1000 метров на огромном детекторе-бассейне (50 тысяч тонн воды, которые «просматриваются» 32 тысячами полуметровых фотоэлектронных умножителей) регистрировали поток нейтрино от атмосферных частиц.
«Физики измерили поток нейтрино не только «сверху», но и «снизу», с противоположной стороны Земли. Нейтрино так слабо взаимодействуют с веществом, что планета не ослабляет их прохождения. Поэтому потоки электронных нейтрино с обеих сторон были одинаковы. Однако поток мюоных нейтрино «снизу» оказался в 1,5–2 раза меньше, чем «сверху». Полученный эффект можно объяснить только осцилляцией – мюонные нейтрино переходят в тау-нейтрино и перестают регистрироваться детектором. Расстояние от противоположной стороны Земли до детектора как раз достаточно для того, чтобы часть мюонных нейтрино успела превратиться. Именно этот эффект обнаружил и проанализировал Такааки Кадзита», – говорит Александр Бондарь.
После открытия на Super Kamiokande ученые поверили, что дефицит потока электронных нейтрино от Солнца может объясняться осцилляцией. Для того чтобы проверить это напрямую, был запущен эксперимент SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде. Созданный здесь нейтринный детектор (в нем использовалась не обычная, а тяжелая вода, которая содержит дейтерий) позволял измерить полный поток нейтрино, вне зависимости от того, к какому типу они относятся.
«Это измерение было сделано в 2002 году группой Артура Макдональда. Участники эксперимента доказали, что полный поток нейтрино приблизительно в три раза больше потока электронных нейтрино и точно соответствует расчетам, сделанным для Солнца. Таким образом, осцилляция солнечных нейтрино была доказана экспериментально».
Александр Бондарь
Россия: тонны галлия и километровый телескоп
По словам Александра Бондаря, Россия тоже внесла свой вклад в изучение «проблемы дефицита». На Северном Кавказе в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН была создана установка для наблюдения потока солнечных нейтрино в галлий-германиевой реакции. Реакция превращения хлора в аргон, использовавшаяся в эксперименте Дэвиса, возможна лишь под действием нейтрино большой энергии. Такие частицы составляют малую долю всех нейтрино, летящих от Солнца. Поэтому на Кавказе был поставлен эксперимент, более чувствительный к основной массе нейтрино – превращение галлия в германий под воздействием этих частиц. Результаты эксперимента подтвердили наличие «дефицита солнечных».
«У этого эксперимента сложная судьба. В детекторе используется несколько десятков тонн изотопа галлия (71Ga), довольно редкого вещества. После развала СССР, когда государство начало распродавать свои запасы, галлий из обсерватории был продан частному предпринимателю, который планировал его перепродать. Физикам пришлось встать на защиту детектора: были и демонстрации, и дежурства. В итоге удалось сохранить этот эксперимент, и работы на детекторе ведутся до сих пор».
В настоящее время на Байкале создается гигантский нейтринный телескоп, размером до одного кубического километра. В байкальскую воду на глубину более 1 км опускают гирлянды фотоумножителей, которые регистрируют нейтрино. Будущая задача телескопа – изучение возможных источников нейтрино во Вселенной. По словам Бондаря, проект еще в процессе формирования, в нем участвуют физики из ИЯИ РАН, Дубны, а также из Иркутского государственного университета.
«Нейтрино – очень интересный объект для исследования, – продолжает он. – Сейчас механизм осцилляции нейтрино активно изучается не только на природных, но и созданных искусственно источниках. Ускорители позволяют создавать пучки нейтрино, которые регистрируются в сотнях км от источника, и изучать осцилляцию напрямую. Если помечтать, то можно говорить томографии земного шара с помощью таких пучков в будущем».
«Однако основное направление прикладной нейтринной физики сегодня – астрофизические исследования источников нейтрино высокой энергии. Механизмы генерации таких частиц до сих пор не ясны. Решение этой проблемы позволит нам понять устройство Вселенной и отдельных ее объектов: квазаров, черных дыр и т.д.»
«Нобелевская премия вручена заслуженно»
Открытие нейтринных осцилляций является одним из важнейших за последние двадцать лет в физике частиц, считает декан ФФ НГУ: «Это очень важный шаг для понимания многих явлений, которые происходят в веществе на фундаментальном уровне. В этом отношении оценка нобелевского комитета не подвергается сомнению».
Сложнее говорить о конкретном вкладе непосредственно нобелевских лауреатов. Безусловно, открытие – плод коллективного труда. Сегодня в физике частиц большие проекты требуют больших вложений и работы множества ученых. Например, в эксперименте на Super Kamiokande участвовали и продолжают участвовать физики из Института ядерных исследований РАН.
«Артур Макдональд – это организатор и руководитель проекта, идейный вдохновитель своей экспериментальной группы. Что касается Такааки Кадзиты, насколько я понимаю, он первым натолкнулся на эффект осцилляции нейтрино при анализе экспериментальных данных. В данном случае я вполне доверяю своим коллегам из нобелевского комитета, которые принимали решение о присуждении премии».
Рассуждая о нобелевской премии, Александр Бондарь высказал идею, что кроме признания заслуг выдающихся ученых, почетная награда играет важную роль в установлении взаимопонимания между широкой общественностью и учеными.
«Люди неподготовленные зачастую не понимают значение и смысл ведущихся научных исследований. В фундаментальной физике очень сложно объяснить: в чем польза от открытия? Какой прок для народного хозяйства от подтверждения осцилляции нейтрино? Ясно, что непосредственной пользы нет. Но я часто повторяю: широкая общественность должна понимать, что фундаментальная наука занимается задачами, которые в обыденной жизни никогда бы не встали перед человечеством. Однако мир постоянно меняется в результате появления новых технологий и возможностей, которые возникают при решении научных задач. Невозможно предсказать, в какой точке произойдет тот прорыв, что в очередной раз поменяет нашу жизнь».
Фото автора, а также nobelprize.org и Super-Kamiokande home page
Дина Голубева
