Нобелевская премия по физике вручена за доказательство того, что у загадочных частиц нейтрино есть масса.

Во вторник в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии 2015 года по физике. Ими стали канадец Артур Макдоналд из нейтринной обсерватории в Садбери (Канада) и японский ученый Такааки Казита из лаборатории Super-Kamiokande. Как отмечается на сайте премии, физики были удостоены приза за «открытие осцилляции нейтрино, что показало, что у нейтрино есть масса». За этими словами скрывается история удивительных наблюдений за летящими из космоса частицами, которые ученые сделали в глубоких подземных лабораториях.

Видимо-невидимо невидимых

Нейтрино называют одной из самых загадочных элементарных частиц. Как рассказывает физик Михаил Данилов, член-корреспондент РАН, сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики, «все мы состоим из двух кварков, электрона и загадочной частички — нейтрино. Из кварков образуются нейтроны и протоны, вместе они образуют ядра, если прибавить к этому электроны, получаются атомы. А нейтрино вроде бы совсем ни при чем. Но на самом деле, они чрезвычайно важны, достаточно сказать, что без нейтрино не светило бы Солнце».

Нейтрино — самая распространенная частица во Вселенной после фотона, они рождаются в недрах звезд, в процессе работы атомных электростанций и даже при естественном распаде содержащихся в человеческом теле изотопов калия. Но особенность нейтрино (зашифрованная в их названии) в том, что они чрезвычайно слабо реагируют с веществом. Свет не может пройти сквозь наши тела, а крошечные нейтрино проходят сквозь нас триллионами каждую секунду. Столь же легко нейтрино способны проникнуть и сквозь толщу земли и через любой прибор, именно поэтому их так сложно обнаружить, зарегистрировать.

Существование нейтрино было предсказано в начале 1930-х австрийским физиком Вольфганом Паули, но на экспериментальное обнаружение удивительных частиц ушло еще четверть века. Только в 1956 году американским ученым Фредерику Райнесу и Клайду Коуану впервые удалось зарегистрировать нейтрино, возникшие в процессе ядерных реакций при работе реактора в Южной Каролине, — за это Райнес удостоился Нобелевской премии в 1995 году.

Теперь, ровно через 20 лет, нейтрино снова оказались в центре внимания Нобелевского комитета и всего мира. Экспериментальным физикам Артуру Макдоналду и Такааки Казите удалось на рубеже веков установить свойство этих частиц, в которое большинство физиков верить не хотело: нейтрино имеют массу, как, например, электроны, и в отличие от фотонов. Дело в том, что существование у нейтрино массы входило в противоречие с так называемой Стандартной моделью, своего рода поваренной книгой вещества во Вселенной, описывающей все известные элементарные частицы и способы их взаимодействий. Однако два проведенных глубоко под землей эксперимента показали, что Стандартная модель — не окончательное описание мира.

Загадочное исчезновение

Большинство обсерваторий, регистрирующих и изучающих нейтрино, находятся под землей: это позволяет экранировать шум других частиц, не способных проникнуть сквозь толщу породы и регистрировать нейтрино в относительно чистом виде. Многие из таких обсерваторий были построены специально для изучения нейтрино, поступающих на Землю с Солнца. Их первые же наблюдения выглядели загадочно: «Регистрировалось примерно в три раза меньше нейтрино, чем можно было с большой точностью предсказать, исходя из светимости Солнца, из количества энергии, которую оно выделяет, — рассказывает Михаил Данилов. — Это вызвало большое смущение в ученых рядах, люди начали думать, что неверны модели Солнца».

Но если наши представления о Солнце верны, то куда же могли деться две трети нейтрино по дороге на Землю? «Одна гипотеза была. Дело в том, что нейтрино существуют в трех вариантах: электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-лептонные (или просто тау) нейтрино, они называются так в соответствии с частицами-партнерами — электроном, мюоном и тау-лептоном. Другим объяснением было то, что нейтрино, вылетающие из Солнца, а это исключительно электронные нейтрино, по дороге превращаются в два других вида нейтрино, мюонные и тау-лептонные, которые в детекторе не регистрировались», — говорит Данилов. Такая метаморфоза нейтрино одного типа в другой называется осцилляцией, и Михаил Данилов отмечает, что первым о возможности такого феномена заговорил физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво, многие годы проработавший в СССР (и, между прочим, бывший профессором Михаила Данилова).

Метаморфозы в полете

Отчасти подтвердить гипотезу, что нейтрино способны осциллировать, позволили наблюдения нейтринной обсерватории Super-Kamiokande, запущенной в 1996 году в шахте на заброшенных цинковых месторождениях неподалеку от Токио. Эта лаборатория, которую возглавлял Такааки Казита, регистрировала мюонные нейтрино, возникающие в результате столкновения космических лучей с земной атмосферой. Наблюдения показывали, что число нейтрино, приходящих в датчик сверху, меньше, чем прилетающих снизу, с обратной стороны Земного шара. Но атмосфера подвергается бомбардировке космическими лучами равномерно со всех сторон, а пролететь через всю планету для нейтрино не представляет труда — значит, обсерватория должна регистрировать одинаковое число частиц с обоих направлений. Единственным объяснением было то, что часть мюонных нейтрино, возникших на обратной, антиподной стороне Земли, успевают за время более продолжительного полета превратиться в нейтрино другого типа и поэтому не регистрируются приборами.

Осталось убедиться, что нейтрино одного типа действительно превращаются в нейтрино другого типа, а не исчезают по дороге каким-нибудь неизвестным науке способом. Это удалось сделать благодаря нейтринной обсерватории, запущенной в 1999 году на глубине 2 километров в шахте Крейгтон неподалеку от канадского города Садбери. Лаборатория в Садбери, которую возглавил Артур Макдоналд, наблюдала нейтрино, приходящие с Солнца, но была способна регистрировать не только их электронный вариант, но и все три типа нейтрино вместе. Как и в предыдущих наблюдениях, данные Садбери показывали, что до Земли добирается в три раза меньше электронных нейтрино, чем можно ожидать. Но когда ученые подсчитали число зарегистрированных нейтрино всех трех типов одновременно, оказалось, что оно в точности совпадает с прогнозируемым.

Нестандартная масса

Комбинация результатов обоих экспериментов вместе доказывала, что нейтрино никуда не деваются по дороге от Солнца или с обратной стороны Земли, они просто меняют свой тип, другими словами, осциллируют. Таким свойством могут обладать только частицы, обладающие массой, а значит, масса, пусть и крошечная, есть и у нейтрино. Масса нейтрино до сих пор в точности неизвестна, но существуют оценки, согласно которым общая масса всех нейтрино во Вселенной сравнима с общей массой всех видимых звезд. Нейтрино малы, но их очень и очень много.

Пожалуй, главное значение открытия Макдоналда и Казиты заключается в том, что оно подставило первую серьезную подножку Стандартной модели, стало, по словам Данилова, выходом за ее пределы: «Массу нейтрино можно внести в некоторую модификацию Стандартной модели, но никто не гарантирует, что эта модификация будет правильным объяснением массы. Не исключено, что речь идет о более сложном феномене, о совершенно новой физике».

Два года назад, в 2013 году, Нобелевская премия по физике была вручена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, когда-то предсказавшим существование бозона Хиггса, впервые экспериментально зарегистрированного в июле 2012 года на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса оставался последним элементом Стандартной модели, который не удавалось найти в природе, и его обнаружение многие физики приняли чуть ли не с разочарованием: ученым всегда больше интересны новые вызовы, чем исследования, закрывающие старые вопросы. Именно таким новым вызовом и стало доказательство существования массы у нейтрино.