Загадка частицы-призрака: что такое нейтрино

px.here

Нейтрино — это неуловимые субатомные частицы, возникающие в самых разных ядерных процессах. Свое название, которое означает «маленький нейтрон», они получили из-за того, что у них нет никакого электрического заряда. Из четырех фундаментальных сил во Вселенной нейтрино участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействии, которое отвечает за радиоактивный распад атомов. Не имея почти никакой массы, они проникают в космос практически со скоростью света.

Бесчисленные нейтрино появились за доли секунды после Большого взрыва. Новые постоянно рождаются в ядрах звезд, в ускорителях частиц и атомных реакторах на Земле, во время взрыва сверхновых и при распаде радиоактивных элементов. По словам физика Карстена Хигера из Йельского университета в Нью-Хейвене (США), во Вселенной нейтрино больше, чем протонов в среднем в 1 миллиард раз.

Несмотря на их многочисленность, нейтрино в значительной степени остаются загадкой для физиков, поскольку их очень трудно поймать. Эти частицы проходят сквозь большую часть материи, как если бы они были лучами света, и почти не взаимодействуют с окружающим веществом. Примерно 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела прямо сейчас, хотя сами вы ничего не чувствуете.

Обнаружение невидимых частиц

В конце 19-го века исследователи ломали голову над явлением, известным как бета-распад, при котором ядро внутри атома самопроизвольно испускает электрон. Бета-распад, казалось, нарушал два фундаментальных физических закона: сохранение энергии и сохранение импульса. После бета-распада конечная конфигурация частиц имела слишком мало энергии, а протон стоял неподвижно вместо того, чтобы отскакивать в противоположном направлении от электрона. Лишь в 1930 году физик Вольфганг Паули выдвинул гипотезу, объясняющую этот эффект, согласно которой из ядра могла вылететь лишняя частица, способная унести с собой недостающие энергию и импульс.

«Я совершил ужасную вещь. Я постулировал частицу, которая не может быть обнаружена», — рассказал Паули своему другу, объяснив, что предполагаемый нейтрино был настолько призрачным, что он едва мог взаимодействовать с чем-либо и почти не имел массы.

Больше четверти века спустя физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс построили нейтринный детектор и разместили его возле ядерного реактора на атомной электростанции в Саванна-Ривер в Южной Каролине. В результате их эксперимента удалось поймать несколько сотен триллионов нейтрино, которые летели из реактора. После этого Коуэн и Рейнс с гордостью послали Паули телеграмму, в которой сообщили о своем открытии. В 1995 году Рейнс получил Нобелевскую премию по физике. Коуэна к тому времени уже не стало.

С тех пор нейтрино постоянно бросал вызов ожиданиям ученых.

Известно, что колоссальное количество нейтрино, которые бомбардируют Землю, производит Солнце. В середине 20-го века исследователи создали детекторы для их обнаружения, но их эксперименты продолжали показывать расхождение, фиксируя только около одной трети предсказанного числа частиц. Поначалу ученые списывали это на ошибочные астрономические модели Солнца.

В конце концов, физики поняли, что нейтрино, вероятно, бывают трех разных типов. Кроме обычного электронного нейтрино, существуют и два других вида: мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Проходя расстояние между Солнцем и нашей планетой, нейтрино колеблются между этими тремя типами, поэтому в предыдущих экспериментах, которые были предназначены только для поиска одного типа частицы, не хватало двух третей от их общего количества.

Однако такому колебанию могут подвергаться только частицы, которые имеют массу, что противоречило более ранним представлениям о них. Хотя ученые до сих пор не знают точных масс всех трех нейтрино, в ходе различных исследований было установлено, что самые тяжелые из них должны быть по крайней мере в 0,0000059 раз меньше массы электрона.

Новые законы для нейтрино?

В 2011 году исследователи проекта Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) в Италии вызвали переполох в научном мире, заявив, что они обнаружили нейтрино, движущиеся быстрее скорости света. Хотя результаты широко освещались мировыми СМИ, они были встречены с большим скептицизмом со стороны большинства ученых. Менее чем через год физики осознали, что полученные сверхсветовые скорости имитировала неисправная проводка, и нейтрино вернулись в мир космически законопослушных частиц.

Сегодня ученым еще многое предстоит узнать о них. Недавно исследователи из проекта Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) в Национальной ускорительной лаборатории Fermi (Fermilab) (США) предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили новый тип нейтрино, который получил название “стерильный”. Стерильные нейтрино разрушили бы все известные физические законы, поскольку они не вписываются в так называемую Стандартную модель, которая объясняет почти все известные на сегодня частицы и силы, кроме гравитации.

Загадка частицы-призрака: что такое нейтрино

Примерно 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела прямо сейчас, хоть вы ничего и не чувствуете

Картина дня

Наши публикации