Нобелевскую премию по физике присудили за исследования нейтрино

Лауреатами Нобелевской премии стали Артур Макдональд и Такааки Кадзита, авторы исследований, в результате которых были открыты «осцилляции нейтрино, что позволило доказать, что у нейтрино есть масса».

Нейтрино — это очень лёгкие частицы, и сначала физики полагали, что они не имеют массы, а влияют на них только гравитация и слабое ядерное взаимодействие; известны три различных флейвора (разновидности) нейтрино: тау, электронное и мюонное.

Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино, но измерения потока нейтрино на Земле (измерения постоянно производятся с конца 1960-х), показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает Стандартная модель. Несоответствие теории и экспериментальных данных получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики.

Первые свидетельства того, что нейтрино могут менять свой флейвор, были зафиксированы на детекторе Супер-камиоканде, который начал работать в 1996 году. Детектор расположен в бывшей цинковой шахте на глубине 1 км под землёй и представляет собой резервуар с очень чистой водой шириной и глубиной 40 метров. Резервуар вмещает в себя 50 000 тонн очень прозрачной и чистой воды. Стены резервуара оборудованы специальными световыми детекторами.

Большинство нейтрино проходят сквозь резервуар и воду в нём незамеченными, однако иногда они сталкиваются с ядром атома или электроном, что приводит к образованию заряженных частиц — мюонов и электронов. Вокруг этих частиц образуется так называемое свечение Вавилова — Черенкова, которое и улавливают детекторы. Супер-камиоканде обнаруживал как нейтрино, попадавшие из атмосферы, сверху, так и поступавшие снизу (Земля не является препятствием для этих частиц). При этом число мюон-нейтрино из атмосферы превышало число мюон-нейтрино, прошедших через планету. Это заставило учёных предположить, что мюон-нейтрино, прошедшие через Землю, проделали более долгий путь, во время которого они могли изменить свой флейвор и стать тау-нейтрино. Эти предположения были подтверждены благодаря исследованиям учёных из Садберийской нейтринной обсерватории.

Садберийская нейтринная обсерватория (СНО) расположена на глубине двух километров под землёй. В ней также установлен огромный резервуар, наполненный тяжёлой водой, которая имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо двух атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, а её кислород по изотопному составу соответствует кислороду воздуха. Это создавало большие возможности для столкновения и реакций с нейтрино.

Часть реакций, которые фиксировали учёные, позволяла обнаружить только электронные нейтрино, другая часть позволяла обнаружить также мюонные и тау-нейтрино. За первые три года работы СНО фиксировала приблизительно три электронных нейтрино в день, что соответствовало приблизительно одной трети нейтрино, которые учёные обнаруживали и ранее. Но если принимать во внимание все три типа нейтрино, то их число совпадало с тем числом, которое предсказывала Стандартная модель.

Это открытие подтвердило предположение о том, что нейтрино могут менять флейвор, для чего они должны обладать массой. Открытие также положило начало нейтринной астрономии, так как нейтрино могут перемещаться в пространстве, не взаимодействуя с материей, на десятки световых лет и несут в себе информацию о ядерных реакциях, произошедших на огромных расстояниях от нас. С их помощью учёные надеются заглянуть внутрь взрывов сверхновых.