Неуловимый нейтрино: за что вручили Нобелевскую премию по физике
Об открытии
Нобелевскими лауреатами по физике в этом году стали японец Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд, открывшие осцилляции нейтрино и тем самым подтвердившие наличие у этих частиц массы покоя.
Нейтрино — одна из самых загадочных элементарных частиц. Она была «придумана» в 30-х годах 20-го века выдающимся физиком-теоретиком Вольфгангом Паули для объяснения нарушения закона сохранения энергии при бета-распаде ядер. Чтобы не «жертвовать» фундаментальным законом, было выдвинуто предположение о том, что существует некоторая неизвестная частицы, имеющая нулевой заряд (отсюда её название), которая уносит недостающее количество энергии. Теоретическая конструкция долгое время вызывала споры среди физиков, пока наконец в 1955-ом году существование нейтрино не было зафиксировано экспериментально.
К началу 90-х годов была сформулирована общая концепция, согласно которой нейтрино — это безмассовая частица, которая движется со скоростью света и принимает участие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Это составляет часть так называемой Стандартной модели — общей математической теории, описывающей поведение элементарных частиц. Это то, что принято, и до сих пор признаётся физиками во всём в мире.
В 2013 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию за теоретическое обоснование происхождения массы субатомных частиц, что как раз является одним из подтверждений Стандартной модели. Гипотеза была подтверждена с помощью всем известного Большого адронного коллайдера — гигантского ускорителя элементарных частиц. Забавно, что после этого премию присудили за открытие в нейтринной физике методами низкофоновой подземной физики — исследования нейтрино обычно проводятся в лабораториях, расположенных глубоко под землей, чтобы экранировать лишнее излучение при измерениях. Такие эксперименты называются низкофоновыми — это второй основной подход в этой области науки. Так вот ускорительные и низкофоновые исследования чередуются и соревнуются, кто больше расскажет об устройстве Вселенной.
Примерно в конце 60-х годов исследовательской группой под руководством будущего Нобелевского лауреата Раймонда Дэвиса было зафиксировано, что поток солнечных нейтрино, которые долетают до Земли, существенно меньше по сравнению с теоретическим предсказанным. Объяснить этот результат он не смог. Было понятно, что наблюдаемое явление связано с какой-то новой физикой. Затем в рамках совместного советско-американского проекта SAGE, проводимого Баксанской обсерваторией в Приэльбрусье под руководством советского учёного Владимира Гаврина, этот эффект был подтверждён с гораздо большей точностью. Потом измерения проводились в эксперименте GALLEX в Италии, и наконец, эффект был еще более тщательно измерен коллективом ученых, возглавляемым лауреатом этого года Макдональдом на более крупном детекторе нового типа — канадском SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Кадзита с коллегами изучал атмосферные нейтрино на установке Super-Kamiokande в Японии. В этом эксперименте тоже наблюдались аномалии, которые не согласовались со стандартной моделью.
Для объяснения полученных данных потребовалось создать теорию, кардинально изменившую наши представления о нейтрино. Согласно ей, одновременно существуют три типа нейтрино, обладающие разной массой. В результате хитрого квантово-механического эффекта вылетевшее из Солнца электронное нейтрино, долетает до Земли в виде мюонного, а мюнные атмосферные прилетали в детектор Super-Kamiokande в виде тау-нейтрино. Именно эти превращения одного вида нейтрино в другой и называются нейтринными осцилляциями. Они возможны, только если у нейтрино есть масса покоя, что является новой физикой, выходящей за рамки стандартной модели. За это открытие и была вручена премия.
Практическая польза
Главный вопрос, который публика обычно недоуменно задает таким исследователям — а какая от всего этого практическая польза? Низкофоновые исследования тут чувствуют себя чуть лучше, чем ускорительные — техника не такая дорогая. Однако мы тоже исследуем нейтрино большими международными мегаколлаборациями, покупая дорогое оборудование. Эксперимент GERDA, в котором я состою, собрал несколько крупных научно-исследовательских организаций из разных стран мира (Россия участвовала в поставке изотопов). Стоимость этой установки составила несколько десятков миллионов евро. С её помощью мы пытаемся обнаружить процесс в котором нарушается закон сохранения лептонного числа, действующий в стандартной модели. Если мы преуспеем в наших поисках, то получим еще один аргумент в пользу ненулевой массы покоя нейтрино.
Мы тратим огромные деньги на проверку теоретических гипотез о чем-то очень маленьком. Какую пользу мы получили от знания о бозоне Хиггса? Чем оправдать вложения в вещи, не имеющие практического смысла? Или это удовлетворение любопытства за государственный счёт? А может эти вещи все же имеют практическое значение для развития нашей цивилизации?
Можно ответить, что фундаментальные исследования расширяют наши знания о мире. Открытия, которые совершаются, например, в физике элементарных частиц, интригуют сами по себе. Поведение материи на микроскопическом масштабе настолько удивительно, например, те же нейтринные осцилляции, что точное описать результаты возможно лишь с помощью сложных математических конструкций. По сути физика — это набор моделей, и порой мы не можем говорить, существует ли тот или иной объект на самом деле. Это своего рода социальное соглашение.
Резонно возникает вопрос: оправдано ли это? Куда полезнее, на первый взгляд, финансировать практические исследования — новые средства связи или биотехнологии.
На самом деле уже сегодня есть идеи использования нейтрино для практических целей, например, для зондирования Земли или для мониторинга ядерных реакторов. Новая физика фундаментального характера всегда порождает новые технологии. просто для «внедрения», как раньше говорили, нужно время.
Каждая масштабная экспериментальная установка требует нетривиальных инженерных решений на самых разных этапах: от создания детекторов частиц до обработки большого объёма информации. Примером является Интернет, созданный в CERN, Европейской организации по ядерным исследованиям, для обмена данными между различными установками.
Важно понимать, что фундаментальная наука не только занимается исследованиями природы, она способствует формированию своего рода научно-технологической пирамиды. Тысячи людей поступают на естественно-научные факультеты университетов, только часть из них решает продолжить заниматься наукой и лишь единицы достигают крупных высот и становятся академиками. Однако на каждом этапе человек усваивает определённую культуру: научную, инженерную, изобретательскую. В результате смежные отрасли насыщаются компетентными специалистами, которые в состоянии переносить технические решения из фундаментальной науки в промышленность. И это не какие-то далёкие от реальности вещи.
Важность фундаментальных исследований уже прекрасно осознали китайцы, которые в последнее время активно развивают у себя и космические исследования, и биотехнологии, и нейтринную физику. Гигантские денежные вложения с их стороны приводят к тому, что российские и немецкие учёные активно сотрудничают с ними и проводят совместные исследования.
В нашей стране связь фундаментальной науки с промышленными решениями организована не оптимально, и требуется аккуратная и тщательная государственная политика взаимообогащающего развития науки и производства. Способна ли Россия к тому, чтобы снова стать конкурентноспособной в области передовых технологий? Шансы все еще есть.
