Підтверджено перетворення одного сорту частинок-нейтрино в інший

Російським фізикам разом з вченими з інших країн вдалося в 2013 році в ході експерименту Т2К підтвердити унікальне відкриття — перетворення одного сорту частинок-нейтрино в інший (нейтринні осциляції). Це відкриття може привести до перегляду розуміння устрою Всесвіту. Про значення цього відкриття для світу науки і про його можливому практичному застосуванні РИА Новости розповів один з учасників досліджень, завідувач відділом фізики високих енергій Інституту ядерних досліджень РАН Юрій Куденко.

— Світ фізики елементарних частинок складний для розуміння, тому давайте почнемо нашу розмову з деякого лікнепу — розповіді про те, як все влаштовано.

— Ми живемо в макросвіті, це світ великих відстаней і предметів. А сучасна фізика високих енергій має справу з мікросвітом, з масштабами менше атома, з відстанями менш 10-13 див Ці масштаби важко собі уявити. Ми працюємо, наприклад, з протонами, що володіють масою близько 1 Гігаелектронвольт (ГЕВ), що відповідають 10-24 р – це важко перекласти на звичайну мову. Але протон це ще більша частка, яка складається з більш дрібних частинок — трьох кварків. З кварків також складається значна частина та інших елементарних частинок. Ці дрібні частинки у свою чергу обмінюються між собою ще більш дрібними частками – глюонами. Три кварка не можу вилетіти з протона, тобто не можуть перебувати у вільному стані, і скріплюються сильним взаємодією, переносником якого є глюони.

Таке взаємодія — електромагнітне, ми всі добре знаємо — це електромагнітні хвилі, світло, воно здійснюється за рахунок обміну елементарними частинками — фотонами. Третій тип взаємодії, з яким має справу фізика мікросвіту, так зване слабка взаємодія, в них бере участь нейтрино.

Нейтрино, нейтральна фундаментальна частинка, яка бере участь тільки в слабкому і гравітаційному взаємодії.

Слабка взаємодія називається так, тому що сила його на кілька порядків менше, ніж у інших, і обмін між частинками здійснюється з допомогою заряджених бозонів W+ і W – і нейтрального бозона Z0, які були відкриті в 1980-ті роки. Всі взаємодії нейтрино і будь-які слабкі процеси, в яких бере участь нейтрино, відбуваються за рахунок обміну цими важкими частинками, маса яких близько 80 ГЕВ, тобто вони важче протона в 80 разів.

Слабка взаємодія частинок цікаво тим, що в ньому були виявлені порушення інваріантності, тобто порушення незалежності (незмінності) фізичних законів при переході з нашого світу в дзеркальний світ (зміна напряму просторових координат), при зміні напрямку часу і при заміні часток на античастки.

Інші взаємодії (сильне, електромагнітне) демонструють сталість фізичних законів при цих перетвореннях. Процеси, що йдуть через сильне взаємодія, ведуть себе однаково і в нашому світі, і у дзеркальному світі. Якщо ми хочемо повернути час, в реальності це важко уявити. Проте в експерименті повна імітація цього можлива. При цьому сильне і електромагнітне взаємодії будуть вести себе однаково, а процеси з участю слабкої взаємодії будуть відрізнятися. Це унікальна особливість слабкої взаємодії і пов’язана вона саме з нейтрино.

Вперше порушення просторової парності в слабкій взаємодії спостерігалося в 1956 році в експерименті з вивчення бета-розпаду поляризованого ядра кобальту-60. З цього фундаментального відкриття, до речі, і почалася, на мою думку, сучасна фізика елементарних частинок.

— Які особливості нейтрино, що необхідно науковцям для вивчення таких малих частинок?

— Нейтрино має дуже маленьке переріз взаємодії з речовиною (нуклони, електрони, ядра), тобто ймовірність взаємодії нейтрино, яке налітає на ядро, нуклон, надзвичайно мала із-за того, що цей процес йде тільки через слабке взаємодія. Таким чином, для реєстрації нейтрино необхідні величезні масивні детектори. Найкраще поміщати такі детектори під землю, щоб поліпшити фонові умови експерименту і відсікти зайві частинки, які «заважають» реєстрації нейтрино. В цьому напрямку почала розвиватися нейтринна фізика та її найважливіша частина, так звана підземна фізика. За цим принципом у нас в країні була у свій час побудована Баксанська нейтринна обсерваторія, де російські вчені здійснили ряд важливих відкриттів у нейтринної фізики. Поступово фронт нейтринних досліджень розширювався, і сформувалася «нейтринна індустрія» — велика кількість різних експериментів по всьому світу, які вивчають властивості нейтрино.

— Відкриття осциляцій мюонним нейтрино в електронні нейтрино унікально. Японці вже назвали його високопрофесійним, найвищим (Uchiage Hanabi) досягненням у фундаментальної фізики. Як це відкриття співвідноситься зі Стандартною моделлю взаємодії елементарних частинок – фундаментальною основою сучасної фізики? — Стандартна модель, яка практично описує всі явища фізики елементарних частинок, за винятком деяких, твердо постулює, що маса нейтрино — нульова. Так от, наше відкриття ще раз однозначно підтверджує, що у нейтрино маса і вона не нульова. Другий факт, який Стандартна модель не описує, — барионная асиметрія Всесвіту, яка також досить імовірно пов’язана з масами нейтрино. І третій факт, що не знаходить пояснення в рамках Стандартної моделі, — це наявність темної матерії у Всесвіті. Як ми знаємо, вся маса Всесвіту стоїть з 4% баріонів, приблизно з 23% темної матерії і 73% темної енергії — ще більш незрозумілою субстанції.

Видатний вітчизняний вчений Бруно Понтекорво, 100 років з дня народження якого виповнюється в цьому році, висунув гіпотезу про осцилляциях нейтрино. Він припустив, що під час свого поширення в просторі нейтрино можуть переходити з одного типу в інший. Наприклад, припустимо, що з якогось джерела вилітає електронне нейтрино, пролітає деяку відстань, переходить у мюонное нейтрино, потім летить далі і знову переходить в електронний тип і так далі.

Період перетворення одного типу нейтрино в інший пов’язаний з енергією нейтрино і різницею квадратів мас. Тобто повинне виконуватися умова, що хоча б одна маса повинна бути закрита. Ця дуже красива гіпотеза потім була експериментально підтверджена.

— Що означає ваше відкриття — виявлення нейтринних осциляцій?

— Виявлення нейтринних осциляцій означає, що нейтрино мають малу ненульову масу, змішуються і типи нейтрино (лептони числа) не зберігаються. Це дійсно грандіозний результат, отриманий він був у 1998 році. Прямі вимірювання маси нейтрино в бета-розпаді тритію (експеримент проводиться в Інституті ядерних досліджень РАН) показують, що маса нейтрино повинна бути менше двох електронвольт. Протягом 15 років після відкриття осциляцій всі експерименти по вивченню осциляцій були «експериментами на зникнення» – тобто нейтрино зникало, і детектор, розташований на якійсь відстані від джерела, реєстрував «дефіцит» нейтрино порівняно з очікуваним числом відсутність осциляцій. В нашому експерименті Т2К (Tokai-to-Kamioka, Японія) були однозначно зареєстровані переходи мюонним нейтрино в електронні нейтрино, тобто в далекому детекторі СуперКамиоканде, розташованому на відстані 295 км від джерела чистого пучка мюонним нейтрино, були зареєстровані електронні нейтрино, що з’явилися протягом «подорожі» мюонним нейтрино від джерела до детектора. Цей фундаментальний результат повністю змінює ландшафт нейтринної фізики і відкриває нам шлях до пошуку порушення комбінованої парності або СР-симетрії.

 

Символ C означає зарядового спряження, яке перетворює частку в її античастицу, а P — це просторова парність, яка створює дзеркальне зображення фізичної системи.

Ідея CP-симетрії була запропонована нобелівським лауреатом фізиком Левом Ландау в 50-ті роки, а в 1964 році було експериментально виявлено, що ПН-симетрія порушується в слабких взаємодіях, і це відкриття також було удостоєно Нобелівської премії.

Наше відкриття дозволяє проводити експерименти з пучками мюонним нейтрино і антинейтрино. У них вимірювання ймовірностей осциляцій мюонним нейтрино в електронні і осциляцій мюонним антинейрино електронних антинейтрино та їх порівняння є чутливим тестом порушення СР-симетрії у нейтрино. Іншими словами, тестом порушення СР-симетрії в лептонном секторі Стандартної моделі.

— І яке розуміння дає нам це відкриття?

— Виявлення такого ефекту може бути ключем до розгадки однієї з таємниць природи: чому ми живемо в світі, а не в антимире, чому є матерія, але немає антиматерії? Зараз всі вчені, які займаються нейтринної фізикою, знаходяться в стані легкої ейфорії, очікуючи виключно цікаві результати в найближчому майбутньому і бачачи колосальні перспективи в цій галузі фізики елементарних частинок.

— Теоретично можна припустити, що СМ буде розширюватися.

— Безумовно, СМ буде розширена, зараз над цим працює цілий ряд фізиків-теоретиків у різних країнах світу. Адже істотна і найбільш цікаве завдання сучасної фізики полягає в пошуку нових явищ за межами СМ. Поки що можна констатувати, що за винятком трьох вищезазначених явищ, інших експериментальних вказівок на нову фізику не отримано і, зокрема, в експериментах на LHC в ЦЕРН не виявлено вказівок на існування суперсиметричних частинок.

— Що далі? На вивченні чого зосередите свої зусилля?

— Ми будемо рухатися далі у вивченні елементарних частинок. У нейтринної фізики це може бути нейтринна фабрика, нові гігантські детектори нейтрино, але вартість цих проектів величезна. А в кварковом секторі – це новий прискорювач — лінійний коллайдер, який неможливо побудувати зусиллями однієї країни. Якщо вивчення бозона Хіггса, який зараз йде в Церні, не дасть жодних вказівок на нестандартні явища, то для нових проектів потрібні принципово нові ідеї і підходи.

— Чи можна припустити, що людство підійшло до межі отримання інформації про світ елементарних частинок?

— Це питання, яке нас серйозно турбує. Якщо говорити відверто, то таких яскравих наукових результатів, як в нашому випадку, не варто очікувати часто, до того ж для їх досягнення треба докладати колосальних зусиль. Зараз для серйозного експерименту необхідна колаборація вчених з багатьох країн світу. Серйозні наукові проекти вимагають величезного фінансування, і вже зрозуміло, що за деякими напрямками ми підходимо до якоїсь межі.

— Фундаментальну науку часто звинувачують у тому, що ні до яких практичних результатів її досягнення не призводять. Залишимо правоту звинувачень на совісті тих, хто так стверджує. Але все-таки цікаво, у випадку з нейтринної осциляцією якими можуть бути практичні результати відкриття?

— Вивчення сонячних нейтрино дозволяє нам зрозуміти фізичні процеси всередині Сонця і визначити його час життя. Ми знаємо, скільки мільярдів років залишилося жити всьому людству. Але це трошки абстрактно, а якщо говорити про реальні речі, то ті детектори, що реєструють осциляції нейтрино, реєструють і так звані гео-нейтрино, які народжуються в результаті розпаду радіоактивних ізотопів у корі та мантії Землі. Формується нова наука — нейтринна геофізика, яка займається одержанням інформації про природному ядерному реакторі в ядрі Землі. А це значить, що ми, ймовірно, знайдемо нові підходи для розуміння механізму того, що відбувається, наприклад, з виверженням вулканів, освітою магми. Може бути, це якийсь шлях і до подальших прогнозированиям землетрусів. Слід також зазначити, що починається процес використання нейтринних детекторів в практичних цілях. Нейтринні детектори корисні в плані контролю за нерозповсюдженням ядерної зброї, оскільки дозволяють в будь-якій країні виявити роботи з діляться матеріалами, які проводяться в будь-якому місці і на будь-якій глибині. Нейтрино пролітає крізь земну кору, не взаємодіючи з нею, і в певних ділянках планети можна поставити детектори, які дозволять проводити повний моніторинг АЕС, процесу збагачення урану і роботи центрифуг, загалом, всього ядерного-паливного циклу у будь-якій країні. Зараз програма створення таких детекторів підтримується МАГАТЕ.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *