Что такое нейтрино

Всё о нейтрино

Эта реакция имеет энергетический порог 814 кэВ, поэтому регистрируются только нейтрино с относительно высокими энергиями.
Считается, что величина нейтринного потока определяется по количеству образовавшегося аргона. Но это не верно, так как таким способом регистрируются нейтрино одной строго определённой частоты. При других реакциях бета-распада нейтрино будут других частот, масс, энергий.
Например, современный метод регистрации нейтрино меньших энергий основан на использовании галлия в качестве детектирующего материала:

Энергетический порог в данном случае составляет 233 кэВ. Однако это довольно дорогостоящий эксперимент.
Протон, электрон, фотон и нейтрино считаются стабильными частицами.
Итак, нейтрино попавшее в сечение ядра хлора или галлия взаимодействует с одним нейтроном. Этот процесс называется бета-распадом.
Нейтрон состоит из протона и электрона. Протон в составе нейтрона поглощает нейтрино и отпускает электрон
.
Электрон вылетает из ядра хлора. Но так как вместо нейтрона остаётся положительно заряженный протон (в составе которого находится поглощённое нейтрино), то хлор превращается в следующий элемент аргон, аналогично галлий превращается в германий. Электроны хорошо поддаются регистрации.
Нейтринные телескопы с разными детекторами (хлор, галлий) показывают, что при бета-распаде ядер разных химических элементов излучаются нейтрино разных частот (энергий, масс). То есть нейтрино также как и фотоны имеют свою шкалу диапазонов частот нейтрального излучения. Скорость движения нейтрального излучения неизвестна, но она постоянная. Предположительно скорость нейтрино много больше скорости света. Прямая регистрация нейтрального излучения невозможна, только косвенная. Распад нейтрона (бета-распад) в ядре химического элемента, регистрируемый в нейтринных телескопах, происходит только при поглощении нейтрино строго определённой частоты (энергии, массы). И, наоборот, образование (синтез) ядер химических элементов, в том числе нейтронов в составе ядер происходит с излучением нейтрино (реакции термоядерного синтеза).
Так как нейтрино могут образоваться только при синтезе химических элементов, то в лабораторных условиях нейтрино не получить. Синтез химических элементов происходит в недрах звёзд и при взрыве водородной бомбы.
А теперь о противоречиях в ”современной“ фундаментальной науке.
В природе существует закон.
Если частицы микромира соединяются, то излучается обменная частица (фотон или нейтрино). И наоборот. Если частицы микромира разъединяются, то это может произойти только лишь при поглощении строго по параметрам такой же обменной частицы.
Эффект излучения или поглощения обменной частицы называют дефект массы или энергией связи.
Но в ”современной“ физике такого закона почему-то нет и Вы его не изучаете?.
Рассмотрим этот вопрос. Почему?
В недрах Солнца происходит термоядерный синтез химических веществ.
Например, из 4 атомов водорода получается один атом гелия.
4 атома водорода представляют собой 4 протона и 4 электрона.
1 атом гелия представляет собой 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона.
В свою очередь нейтрон состоит из протона и электрона.
Благодаря закону Авогадро стало возможным рассчитать массу газов.
Расчеты сразу показали, что масса атома гелия меньше, чем масса 4 атомов водорода, из которых образуется атом гелия.
”Учёные“ стали производить расчёт дефекта массы. И, тут сразу не знаю как и назвать, вероятно, жульничество. Сначала говорят, что гелий образуется из 4 атомов водорода, а это 4 протона и 4 электрона. А, когда говорят произведём расчёт, то уже говорят: возьмём 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. А это очень разные расчёты. Ведь нейтрон сложная частица и наша задача узнать, где находится нейтрино – в протоне или в нейтроне.
В первом случае нейтрино окажутся в составе протонов.
Во втором случае нейтрино окажутся в нейтроне.
Как такое жульничество смогло остаться в физике столько лет?
Хотя и так ясно, что при термоядерном синтезе нейтрино излучается. А распад возможен только при поглощении нейтрино. Но в ”современной“ физике всё запутывают.
Таким образом, вот ошибочная (жульническая) формула бета-распада нейтрона
.
Вот правильная формула бета-распада нейтрона
.
Эту правильную формулу подтверждают и нейтринные телескопы. Или, что их зря строят?
Как можно объяснить эффект, что покинувший ядро химического элемента нейтрон распадётся, где-то в промежутке времени от 0 до 15 минут?
Нейтрон довольно устойчивая конструкция и распадается только при встрече (поглощении) с нейтрино определённой частоты (массы, энергии). Такое нейтрино обязательно появится в данном сечении взаимодействия в течение 15 мин. Этот факт характеризует среду пространства о наличии в ней нейтрино определённых частот (масс, энергий) и подтверждает факт поглощения нейтрино.
Соответственно, распад произойдёт только после поглощения нейтрино
.
Ни массу нейтрона, ни массу нейтрино через число Авогадро не определить. Они с числом Авогадро никак не связаны. Связь с числом Авогадро имеют только химические элементы.
Таким образом, найдена ошибка в модели распада нейтрона, масса нейтрона приведённая в справочнике ошибочная. Теперь ничто не мешает закону взаимодействия частиц в микромире занять своё законное место по важности вслед за законом сохранения массы и энергии.
Вот подробно со всеми расчётами статьи
Бета-распад
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/beta-rapad.shtml
Дефект массы – энергия связи
Вам стали ясны ответы на поставленные нами же вопросы?
1. Можно ли получить нейтрино в лабораторных условиях?
2. Можно ли сформировать пучок нейтрино?
3. Можно ли пометить нейтрино?
4. Можно ли идентифицировать регистрируемые нейтрино?
5. Можно ли замерить скорость нейтрино?
Ведь ответы на все поставленные нами же вопросы отрицательные.
Как видим к нейтрино описываемое ”учёными“ никакого отношения не имеет.
Что за частицы получали в лаборатории ”учёные“, из чего формировали пучок, что метили, что регистрировали и идентифицировали? У чего замеряли скорость?
На кого рассчитаны эти сенсационные статьи?
Подумайте и задайтесь вопросом за кого Вас принимают?

Статью с формулами можно прочитать в РАЗДЕЛЕ РЕЦЕНЗИИ
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/wseonejtrino.shtml
Доклад на Ютубе
http://www.youtube.com/watch?v=eP1iYV96Sr8

Используемые источники:
1. Николаев С.А. “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”. 6-ое издание,
СПб, 2010 г., 320 с.

Источник

Неуловимые нейтрино

В последние годы активно развивается тема стерильных нейтрино. Речь идет о нейтрино, которые не укладываются в Стандартную модель. За последние 10−20 лет появилось множество экспериментальных данных, указывающих на существование таких нейтрино.

Понятие «нейтрино» в 1930-х годах ввел немецкий физик Вольфганг Паули для объяснения очень странного явления. Во время бета-распада ядер одно ядро переходит в другое, при этом высвобождается электрон. С помощью приборов мы можем зарегистрировать свойства этой частицы. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса, во всех процессах этот электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперимент показал, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.

Это была загадка, и одно из предложенных решений было таким: в мире элементарных частиц законы макроскопического мира не работают. Однако В. Паули предложил другое объяснение: он предположил, что в процессе деления ядер появляется еще одна частица — назовем ее v, — и эта частица электрически нейтральна. Электромагнитные приборы зафиксировать эту частицу не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.

Таким образом нейтрино вошло в обиход физики частиц. Через несколько десятков лет его удалось наконец зарегистрировать. Как? Представим еще раз весь процесс: распад ядра появление другого ядра, электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, инициирующий такой распад, и есть, соответственно, целый поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеиваются на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе «из ниоткуда», можно сделать вывод: это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Сегодня это основное убедительное средство регистрации нейтрино.

Нейтрино не участвуют в электрических и сильных взаимодействиях, участвуют только в слабых. Ну и в гравитационных, конечно.

Расширяя Стандартную модель
Подобно электронам и позитронам, частицам и античастицам, существуют нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникают в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — если появляется позитрон, то есть происходят прямой и обратный бета-распады.

Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — антинейтрино-тау. То есть когда говорят о бозоне Хиггса как о последней обнаруженной частице Стандартной модели — это неправда.

Ученые обнаружили новые частицы (отличные от протонов, нейтронов и электронов), изучая космические лучи. Это частицы, приходящие из космоса, взаимодействующие с частицами атмосферы и таким образом рождающие вторичные частицы, которые долетают к нам.

Время их жизни очень мало, но энергия огромна. Чем больше в частице энергии, чем быстрее она летит, тем дольше живет и, соответственно, может попасть в детектор. Так среди космических лучей были зарегистрированы новые частицы, которые не являются ни протонами, ни нейтронами.

Есть еще два аналога up и down — это charm (очаровательный) и strangeness (странный) кварки; а также truth (top) и beauty (bottom) кварки. С точки зрения взаимодействия, это прямые аналоги u- и d-кварков, но массы у них существенно другие: например, масса charm больше, чем масса протона, масса top-кварка — это самая большая зарегистрированная масса, относящаяся к элементарным частицам. Она примерно в 200 раз больше, чем масса протона, это самый тяжелый объект — тяжелее, чем бозон Хиггса. Масса bottom-кварка в пять раз больше, чем масса нейтрона.

Мы обсудили поколения кварков, теперь давайте поговорим об электронах и возникающих при распаде нейтрино.

Соответственно, когда мы говорим, что зарегистрировали нейтрино мюонного типа, это значит, что оно было зарегистрировано в ходе процесса появления мюона; электронное нейтрино возникает, когда появляется электрон; тау-нейтрино — когда появляется тау-лептон.

Анти-тау-нейтрино пока не удалось заметить, потому что никто не видел процесса появления +тау-лептона внутри детектора. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что они существуют.

Есть масса или ее нет?
У нейтрино есть еще одно свойство, отличающее их от других частиц: Cтандартная модель предполагает, что они безмассовы. Стандартная модель была сформулирована в результате анализа большого набора экспериментальных данных, и в рамках этого набора не было никаких указаний на массу нейтрино.

Тем не менее продолжаются попытки вычислить массу нейтрино. Как они устроены? Представим процесс распада нейтрона: появляются протон, электрон и нейтрино. Масса нейтрона больше, чем сумма масс протона и электрона; также выделяется определенная энергия, которая расходуется на то, чтобы продукты реакции разлетелись в разные стороны. Следовательно, если нейтрино имеет массу, то импульс электрона будет ограничен сильнее, чем если бы этой массы не было, — ведь нужно еще немножко энергии, чтобы создать эту массу, пусть даже очень маленькую. И отличие энергичных электронов в этом процессе от предсказанной модели (утверждающей, что нейтрино не имеет массы) позволяет предполагать у нейтрино массу.

Пока прямые поиски масс нейтрино не дали никаких положительных результатов. Есть только ограничения по экспериментам, показывающие расхождения с теоретическими предсказаниями. Экспериментально идет процесс распада трития — в ходе этого процесса ищут массу нейтрино. Масса, ассоциированная с электроном — то есть масса электронного нейтрино — меньше, чем 2 электронвольта на С² (2 эВ x С²). Для сравнения: масса электрона примерно 5×10 5 эВ x С², то есть отличие чудовищное.

Кстати, совсем недавно — в сентябре этого года — появилось новое ограничение для массы нейтрино — 1 эВ. Такие данные были получены в результате эксперимента на установке KATRIN в Карлсруэ, в котором участвуют ученые из нашего института — ИЯИ РАН. KATRIN — увеличенный аналог установки, которая находится в ИЯИ РАН и на которой полтора десятка лет назад и было получено ограничение в 2 эВ. Ожидается, что KATRIN достигнет рубежа в 0,2 эВ.

Аналогичные исследования нейтрино двух других типов показали ограничения значительно хуже: нигде не видно массы напрямую.

Итак, одно из свойств нейтрино — они очень легкие. Их масса гораздо меньше, чем массы других частиц, которые есть в Стандартной модели: ожидается, что одно нейтрино точно не легче, чем 0,05 электронвольта (этот вывод сделан в результате изучения так называемых нейтринных ­осцилляций).

Кстати говоря, через каждого человека все время проходят миллиарды нейтрино — это результат естественной радиации Земли, Солнца, космических лучей. Они никак не влияют на наш организм, не инициируют в нем никаких процессов.

Все эти свойства нейтрино имеют минусы и плюсы. Из-за того, что нейтрино настолько слабо вступают во взаимодействие, их очень сложно зарегистрировать, и работать можно только с большим потоком нейтрино — это один из минусов. Возле большого источника нейтрино (например, реактора на АЭС) должен работать большой детектор. Это сложные эксперименты, требующие большого объема материала и серьезной техники.

Но есть и плюс: так как нейтрино преодолевает любые преграды и его нельзя экранировать, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором он находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг центра нашей звезды в режиме реального времени. В результате экспериментов были зарегистрированы гео-нейтрино, и теперь ученые исследуют естественную радиоактивность Земли, а вскоре будут изучать происходящие в центре планеты процессы. Тот же принцип действует и в случае с ядерными реакторами: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там ­происходят.

А если, наоборот, вы знаете, чтó происходит в источнике нейтрино? И если речь идет о Солнце, но не о ядерных процессах, а о нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и для нейтрино, например, с энергиями в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Что же происходит? Представим следующий процесс. Космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов. Появляются энергичные нейтрино, они проходят через центр Земли, вступают в определенные реакции. Мы можем поставить детектор «на выходе», а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов внутри нее. В итоге получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.

Удивительные превращения
Таким образом, применений у нейтрино много, но для того, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понять, как они взаимодействуют в различных случаях. Ученые довольно быстро пришли к забавному выводу: хотя нейтрино — самая простая частица в рамках Стандартной модели, участвующая только в слабых взаимодействиях, она таки не укладывается в эту Стандартную модель. С нейтрино связаны странные процессы, например, переход одного типа нейтрино в другой тип — так называемая нейтринная осцилляция. За исследования в этой области уже было присуждено несколько Нобелевских премий по физике.

Как это выглядит? У нас есть источник нейтрино, в котором мы зарегистрировали электрон, — и мы ждем, естественно, электронное нейтрино. Есть детектор, который, как и положено, регистрирует позитрон. Однако позитронов образуется гораздо меньше, чем можно было ожидать.

Подобные результаты получил американский физик Рэймонд Дэвис. В 1962 году он начал эксперименты по регистрации солнечных нейтрино. Первые данные появились только спустя 11 лет, а всего эксперимент продолжался около сорока лет. В итоге Р. Дэвис обнаружил дефицит солнечных нейтрино. Объяснений этому могло быть всего два: либо в физике Солнца что-то не так, либо глобально законы физики работают не так, как мы себе представляем.

Удивительным образом именно второе предположение было высказано еще до начала экспериментов Р. Дэвиса Бруно Понтекорво — итальянским физиком, который после войны переехал работать в Советский Союз, в Дубну. Именно он выдвинул гипотезу нейтринных осцилляций, то есть превращения нейтрино одного типа в другие. Это все объясняло: получалось, что на пути от центра Солнца часть электронных нейтрино превращались в мюонные, часть — в тау. Ловушка Р. Дэвиса, рассчитанная только на электронные нейтрино, поймать нейтрино двух других типов не могла. А способность нейтрино к осцилляции в свою очередь доказывала, что у них есть масса — потому что безмассовые частицы так себя вести не могут.

Аналогичный процесс происходит и с так называемыми атмосферными нейтрино — нейтрино от космических лучей: космические лучи взаимодействуют с атмосферой, рождаются нестабильные частицы, в слабых процессах появляются нейтрино и антинейтрино разных типов. С помощью детекторов подобные переходы также были зафиксированы.

Осцилляции нейтрино изучают и в лабораториях: с помощью ускорителя протонов получают нейтринный пучок, который направляется в детектор. Нейтрино взаимодействует с веществом детектора, регистрация появившегося в этом процессе лептона (электрона, мюона или тау) позволяет сделать однозначный вывод о типе нейтрино.

В ходе различных экспериментов ученые выяснили интересный факт: если передвигать детектор, изменяя расстояние от него до источника, то доля частиц, перешедших в мюонные и тау-нейтрино, будет изменяться по закону синуса и косинуса. Также эта доля зависит от энергии осцилляционного процесса. Превращение одного нейтрино в другое, вероятность регистрации соответствующего нейтрино зависят от расстояния L как P

sin² (Δm² L/E), L — расстояние между точками, где возникло электронное нейтрино и зарегистрировали мюонное нейтрино; Е — энергия нейтрино; Δm² — разница квадратов масс между массовыми состояниями, в основном участвующими в процессе (всего таких состояний три, но во многих конкретных процессах в основном участвуют два; именно разница квадратов их масс и входит в формулу).

Все эксперименты, которые мы знаем, описываются всего двумя разницами квадратов масс. Есть нейтрино электронное, нейтрино мюонное, тау-нейтрино; они смешиваются между собой; соответственно, есть три массовых состояния частиц и три разные массы: m1, m2, m3. Результаты измерений в рамках этой осцилляционной гипотезы определяются разницами квадратов масс: m1²-m2² или m2²-m3². Одна разница квадратов масс определяется экспериментами по исследованию солнечных или реакторных нейтрино, а вторая —разницей квадратов масс атмосферных и ускорительных нейтрино.

Это очень маленькие числа, но, зная две разницы квадратов масс, а самой массы не зная, вы тем не менее можете поставить нижние ограничения на массу нейтрино: масса одного нейтрино должна быть не меньше 0,05 эВxС², а другого — не меньше 0,008 эВxС².

Стерильное и загадочное
Казалось бы, уже можно говорить о массе нейтрино. Но не тут-то было: на сцену выходит стерильное нейтрино. Дело в том, что результаты некоторых экспериментов можно интерпретировать как осцилляции нейтрино, но там требуется другая разница квадратов масс — приблизительно 1 эВxС². Это совсем другое число. Три разницы квадратов масс с такими массами получить математически нельзя. Соответственно, результаты этих экспериментов нужно воспринимать либо как ошибку, либо как указание на нейтрино другой массы.

Если интерпретировать эти результаты как указание на некую новую физику, то они могли бы означать, что существует еще одно нейтрино. Это маленькая масса по сравнению с массами всех остальных частиц Стандартной модели, но все равно она такова, что для объяснения подобного явления трех нейтрино недостаточно. Поэтому было введено понятие так называемого стерильного нейтрино.

Источник

Нейтрино

Сверхновая SN 1987A, от которой впервые были зарегистрированны внегалактические нейтрино

Нейтрино – квант нейтрального излучения, нейтральная фундаментальная частица с небольшой массой, спин которой ½ ħ. Нейтрино принимает участие лишь в гравитационном и слабом взаимодействии, относится к классу лептонов (см. Стандартная модель).

История открытия нейтрино

История нейтрино берет начало в исследованиях бета-распада – такого вида радиоактивного распада, при котором ядро атома излучает бета-частицу, то есть электрон или позитрон. Как было уже известно в 1920-х годах, согласно модели атома, описанной Нильсом Бором, вокруг ядра атома располагается некая электронная оболочка. Электроны в этой оболочке находятся на разных так называемых энергетических уровнях, и для перехода между ними требуется определенная энергия. Таким образом, при бета-распаде электроны, вылетающие с атома, должны были нести в себе энергию, кратную той, которая потребовалась для перехода между различными энергетическими уровнями, т.е. нести дискретный спектр энергии. Данное утверждение строится на основе закона сохранения энергии. Однако в эксперименте английского физика Джеймса Чедвика было показано, что спектр энергий вылетающих электронов непрерывный, словно ядро излучает электроны с самой разной энергией, и даже не кратной энергетическим уровням.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год

Подобные противоречия к 1930-му году донельзя заинтересовали научное сообщество. Ведь пока решение этой задачи не найдется, истинность закона сохранения энергии останется под вопросом. Тот же Нильс Бор даже предположил, что энергия на самом деле не сохраняется и фундаментальный закон природы возможно неверен. Но в декабре 1930-го года свою гипотезу выдвинул венский физик-теоретик — Вольфганг Паули. Он положил, что электрон уносит число энергии, кратное энергии перехода, а остаток выпадает на некую другую частицу, которую назвал нейтроном. В 1932-м году Д. Чедвик открывает иную нейтральную частицу, входящую в состав ядра атома, и называет ее нейтроном. В следующем году на Солвеевском конгрессе, рассматривающем проблемы физики и химии, Паули объяснил механизм бета-распада с описанной им частицей, нейтроном. Во избежание путаницы в определении двух нейтронов, название частицы, описанной Паули, взяли из работ Энрико Ферми (1933-1934 г.), где итальянский физик называл частицу – нейтрино (с итальянского «нейтрончик»).

Общие сведения

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:

Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 10 18 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.

Поляризация и лептонное число

Важным свойством частицы в квантовой механике является поляризация спина (о том, что такое спин – читайте здесь). Спин имеет направление, и если оно перпендикулярно направлению импульса частицы, то ее называют поперечно поляризованной, если же параллельно – то поляризация продольна. В свою очередь, если при продольной поляризации спин направлен в сторону импульса, то поляризация зовется «правой», наоборот – «левой». В результате образовался закон сохранения четности, согласно которому частицы с правой и левой поляризацией – равнозначны, и должны встречаться в природе в равном количестве.

За сложными математическими конструкциями скрываются законы природы, но как вскоре оказалось, они нарушаются нейтрино. Удивительно, но за все время исследований ученые обнаруживали только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино, что противоречит закону сохранения четности. Благодаря трудам физиков-теоретиков, казалось, истинный закон может быть спасен, но лишь в том случае, если считать нейтрино безмассовой частицей.

Другим важным физическим утверждением является закон сохранения лептонного числа, который был экспериментально подтвержден и основывается на Стандартной модели. Он гласит о том, что в замкнутой системе разница лептонов и их античастиц сохраняется. Как следствие – появились т.н. флейворные числа для трех типов нейтрино и соответствующих им лептонов. Например, в замкнутой системе должна сохраняться разница между суммой мюонов с мюонными нейтрино, и антимюонов с мюонными антинейтрино.

Но в 2015-м году была официально подтверждена теория нейтринных осцилляций, которые возможны лишь в том случае, когда нарушается закон сохранения четности и сохранения лептонного заряда.

Нейтринные осцилляции

Осцилляции электронного нейтрино. Черный цвет обозначает электронное нейтрино, синий — мюонное, а красный тау-нейтрино.

Одной из основных физических задач, связанных с нейтрино является так называемая «проблема солнечных нейтрино». Как известно, в центре нашей звезды происходят ядерные реакции, вследствие которых должны образовываться электронные нейтрино. Имея теоретическую модель Солнца, ученые высчитали число электронных нейтрино, которые должны быть излучены звездой и зарегистрированы земными детекторами. Однако, согласно наблюдениям, которые ведутся с конца 60-х годов, количество искомых частиц в три раза меньше ожидаемого, что есть значительной погрешностью и означает неверное понимание солнечного механизма.

Не желая изменять модель Солнца, ученые выдвинули гипотезу о том, что нейтрино превращается в некую другую частицу, которая не регистрируется детекторами, а именно, недавно открытые мюонные и тау-нейтрино. Подобные осцилляции возможны с одним важным условием – наличие массы у нейтрино.

Детектор размещён в японской лаборатории на глубине в 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио

Данный феномен наблюдался двумя обсерваториями с гигантскими детекторами: японской Super-Kamiokande (г. Камиока) и канадской SNO (Садбери). Первая обсерватория позволяет фиксировать мюонные и электронные нейтрино. Учитывая полученные результаты и некоторые особенности атмосферы, японцы обнаружили, что количество мюонных нейтрино неким образом зависит от расстояния, которое прошли нейтральные частицы. То есть по пути к детекторам какая-то их часть пропадает.

Позже, в 1993-м году, канадская обсерватория в Садбери, способная различать уже все три типа нейтрино, определила, что общее число этих частиц, излучаемых Солнцем, равняется предсказанному количеству. Подобное утверждение отлично согласовывается с теорией нейтринных осцилляций и объясняет недостаточное количество электронных нейтрино.

Материалы по теме

Бозон Хиггса

За обнаружение нейтринных осцилляций в 2015-м году Нобелевской премией по физике были награждены Такааки Кадзита, работающий на детекторе Super- Kamiokande, и Артур Макдональд, сотрудник обсерватории Садбери. Но данное открытие определенно указывает на наличие двух важных проблем: нарушение закона сохранения лептонного заряда из-за превращения одного типа нейтрино в другого, и закона сохранения четности – из-за наличия массы, хоть и не большой (в 180 тыс. раз меньше массы электрона).

Применение

Основные области применения знаний о нейтрино – астрономия и астрофизика. Дело в том, что так же, как и Солнце, большинство других звезд излучают свою энергию в основном в виде потока нейтрино. Вместе с этим, в силу слабого поглощения этих частиц различными космическими телами, дальность их полета может значительно превышать расстояния, проходимые фотоном. Таким образом, человечество сможет изучать более удаленные звезды и прочие космические тела.

Кроме небесных объектов ученые смогут изучать и недра Земли, которые тоже излучают нейтрино в результате радиоактивности ядра, и позволят подробнее определить состав нашей планеты.

Примечательно, что потоки нейтрино могут использоваться для связи с подводными лодками и прочими объектами, сокрытыми за веществом. Слабовзаимодействующие частицы, испускаемые «источником», пролетали бы сквозь воду и достигали бы детекторов, расположенных на субмарине, после чего переводились бы в другой вид информации. Развитием этой технологии занимаются по большей части военные спецслужбы, и согласно подсчетам, передача информации таким образом будет значительно быстрее (в сотни раз).

Интересные факты о нейтрино

27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

НЕЙТРИНО

История открытия H.

Основные свойства H.

Смешивание и массы H.

H.- столь же часто встречающиеся объекты, как и фотоны. Они испускаются при превращениях атомных ядер и в распадах частиц (m, p, К и т. д.); процессы, приводящие к образованию H., происходят в недрах Земли, её атмосфере, внутри Солнца и др. звёзд; при этом H. (за редким исключением) беспрепятственно выходят из источников своего возникновения. Предсказывается генерация мощных нейтринных вспышек при гравитационных коллапсах звёздных ядер. Согласно модели горячей Вселенной, космич. пространство заполнено реликтовыми H. с энергией

10 21 эВ, генерируются во взаимодействиях космических лучей с межзвёздной средой. В лаб. условиях пучки H. создаются с помощью радиоактивных источников, ядерных реакторов, на ускорителях протонов высокой энергии (>> 1 ГэВ) и мезоннях фабриках.

С уникальной проникающей способностью H. связано развитие таких направлений, как нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. При увеличении плотности вещества и пространств. масштабов явлений роль H. возрастает. Наблюдаемые потоки H. несут информацию о процессах, происходящих в центре Солнца и межзвёздном пространстве, о ранней Вселенной и конечных стадиях эволюции звёзд (см. Нейтринная астрофизика). Предполагается использовать пучки H. для исследования строения Земли, поиска полезных ископаемых и т. д.

История открытия H.

и электронный захват:

Мюонные H. Представление о мюонных H., отличающихся от электронных H., испускаемых при b-распаде, возникло в связи с изучением распадов мюона, p- и К-мезонов. Было установлено, что распады этих частиц сопровождаются вылетом H.:

Основные свойства H.

Спин и спиральность H. Величина спина H. устанавливается с помощью закона сохранения угл. момента по известным спинам частиц, участвующих в реакциях вместе с H. При этом используются дополнит. соображения: правила отбора для разрешённых ядерных переходов, форма спектров заряж. частиц в распадах, то-чечность взаимодействий.

Отбирались события, в к-рых спиральность v e и поляризация g-кванта (l g ) были однозначно связаны. Для этого использовали резонансное рассеяние g на ядрах самария:

Массы H. каждого типа много меньше масс соответствующих заряж. лептонов (l):

Прямые измерения масс состоят в исследовании кинематики процессов с участием H. Наличие у H. ненулевой массы изменяет фазовые объёмы реакций, модифицирует форму энергетич. спектров частиц, рождающихся вместе с H., в частности сдвигает их граничные точ-ки Q и уменьшает импульсы сопутствующих H. частиц.

Электронные H. Наиболее чувствит. методом является измерение энергетич. спектра электронов [т. н. кривой Кёри, F()] для b-распада трития:

(рис. 3). Массивность H. должна проявиться в уменьшении числа распадов с энергиями электронов , лежащими вблизи граничной точки, Q =18,6 кэВ. В 1980 группой сов. физиков (В. А. Любимов и др.)

Рис. 3. График Кёри вблизи граничной точки без учёта фона и конечной разрешающей способности детектора.

Предположения о том, что H. смешиваются и/или являются истинно нейтральными частицами (для к-рых частица и античастица тождественны), открывают дополнит. возможности измерений их масс [поиск двойного бета-распада, осцилляции H. (см. ниже) и т. д.]. Получаемые при этом результаты неоднозначны: ограничения на массы зависят от параметров нарушения закона сохранения лептонных чисел (см. ниже).

Уравнения свободного движения H. Свойства симметрии H. Существуют три возможности описания свободного движения H.- нейтральной спинорной частицы с не установленной пока величиной массы. Эти описания соответствуют H. с отличающимися свойствами, к-рые должны проявляться во взаимодействиях.

Mайоpановским и наз. истинно нейтральные H. Они описываются ур-нием Дирака с дополнит. условием:

Нетождественность v и может быть связана с различием их лептонных чисел:

Типы H. Тип H. фиксируется его соответствием оп-редел. заряж. лептону. Соответствие устанавливается по взаимодействию; так, электронным называют H., к-рое переходит в электрон либо рождается вместе с позитроном или при захвате электрона. Состояния |v e >, |v m > и |v т > наз. собств. состояниями гамильтониана слабого взаимодействия.

Рис. 6. Диаграммы рассеяния нейтрино на кварках и электронах.

Регистрация заряж. лептонов и измерение т. н. недостающей энергии, уносимой H.,- осн. способ детектирования W. Сигналом нейтринных распадов Z 0 . являются т. н. монофотонные или моноструйные события.

2) Вероятности трёхчастичных распадов A Bv l l ( А, В,p, К, барион, ядро) пропорц. 5-й степени энерговыделений Q : Г 3

Рассеяние H. Нейтрино могут рассеиваться (и поглощаться) на электронах, нуклонах и ядрах:

В лаб. системе отсчёта (в к-рой f покоится) из (14) следуют две разные зависимости от энергии:

m p /m e 2000] (рис. 7).

G 2 m w /p(1.+ m 2 W /s). При s m 2 W сечения прекращают линейный рост с увеличением s и затем выходят на константу: s s 0

Рис. 8. Зависимость сечений рассеяния нейтрино и антинейтрино на электронах и нейтринона нуклонах при s >

m 2 W (теоретические кривые).

Интенсивные потоки H. создаются мощными радиоактивными источниками ( 51 Cr, 3 H и др.). Эксперименты с такими источниками, окружёнными защитой, через к-рую могут проникнуть только H., проводятся как для изучения взаимодействий H. при низких энергиях, так и для калибровки нейтринных детекторов, в частности радиохим. детекторов солнечных H.

Развиваются новые методы детектирования низко-энергетичных H., основанные на низкотемпературных болометрич. измерениях в кристаллах, регистрации возбуждений в сверхтекучем гелии, фазовых переходах в перегретых сверхпроводящих гранулах и др.

3) Рост сечений взаимодействия H. с увеличением энергии и связанная с этим возможность проведения нейтринных экспериментов на ускорителях высоких энергий обсуждались M. А. Марковым в 1957. Первые нейтринные эксперименты на ускорителях были осуществлены в 1962 в Брукхейвене и в 1964 в ЦЕРНе [12]. В 1973 на ускорителе ЦЕРНа в нейтринных экспериментах были открыты слабые нейтральные токи, что сыграло важную роль в становлении совр. теории электрослабого взаимодействия.

В эксперименте по сбросу пучка ускоренные протоны падают на металлич. мишень толщиной до 2 м и более, в к-рой, не успевая распасться, поглощается осн. часть p— и К-мезонов и, т. о., поток обычных распадных H. оказывается сильно подавленным. На его фоне становятся заметны H., родившиеся в распадах тяжёлых короткоживущих D, F и др. мезонов, у к-рых распад превалирует над поглощением. Практически такие H. возникают в точке первичного взаимодействия протонов, и их называют «прямыми». Распадный канал при сбросе пучка не нужен. В качестве мишеней-детекторов в ускорит. экспериментах используют большие пузырьковые камеры, а также калориметры, к-рые состоят из пластин железа или мрамора, прослоенных сцинтилляц. счётчиками, дрейфовыми трубками, проволочными камерами и т. д. Детекторы дополняются иногда мюон-ными спектрометрами.

5) Взаимодействия H. сверхвысоких энергий, > 1 ТэВ, предполагается изучать на глубоководных установках (Марков, 1960). Источниками H. являются космос (космич. H.) и атмосфера Земли. Детекторы представляют собой большие объёмы воды на значит. глубине в океане или озере, просматриваемые черенковскими счётчиками или прослушиваемые акустич. детекторами (проекты «Байкал», ДЮМАНД). Развивается методика регистрации радиоизлучения ядерных и эл.-магн. каскадов, вызванных H. в большом объёме льда (напр., в Антарктиде).

Информация о взаимодействиях H. с энергиями вплоть до 10 20 эВ может быть получена из исследований широких атм. ливней, развивающихся под большими углами к вертикали (установка «Мушиный глаз», Канада).

Результаты нейтринных экспериментов находятся в хорошем согласии с предсказаниями теории ВГС. В частности, для упругого рассеяния v m и на электронах при энергии > 1 ГэВ, получено:

Сечения глубоко неупругого рассеяния H. ( > > 10 ГэВ) на мишени (ядре), содержащей равное число протонов и нейтронов, в расчёте на один нуклон равны:

Отношение сечений нейтральных токов к сечениям заряж. токов

В теории ВГС дираковские H. имеют магн. момент, пропорц. массе H.:

С учётом существующих ограничений на m v предсказания m v оказываются значительно меньше верхних экспериментальных пределов. В моделях, содержащих правые заряж. токи и/или заряж. хиггсовы бозоны, m v пропорц. массе заряж. лептона и может оказаться на 4-5 порядков больше. У майорановских H. m v = 0, но в этом случае возможны т. н. недиагональные, или переходные, магн. моменты, для к-рых начальное и конечное нейтринные состояния соответствуют разным майорановским частицам. Для эл.-магн. радиуса H. в теории ВГС предсказывается

Класс новых взаимодействий возникает в связи с дальнейшим развитием идеи объединения частиц и взаимодействий. В суперсимметричных моделях у H. появляются связи типа ( , где se, sv, — соответственно суперсимметричные скалярные партнёры электрона и H. (т. н. сэлектроны и снейт-рино) и суперсимметричные спинорные партнёры W- и Z-бозонов (т. н. вино и зино; см. Суперсимметрия).

Смешивание и массы H.

Распад H. Если m(v) 0, то, вероятно, все H., кроме самого лёгкого, нестабильны. Допустимы след. моды распада.

б) Радиац. распад v 2 v 1 + g: в теории ВГС его вероятность также пропорц. m 2 в 5-й степени:

в) Распад v 2 v 1 gg может быть значительно быстрее предыдущего: его вероятность не содержит фактора (m l /т W ) 4 ·. Для этого распада справедливы те же ограничения, что и для однофотонного.

Кроме обсуждавшихся выше т. н. обнаружимых распадов, могут быть «невидимые» распады: г) v 2 v 1 + ++ v 1 с Г

Существование конечных масс у H. в конкретных калибровочных теориях, за исключением мин. вариантов SU 2 . U(1)и SU 5 , представляется практически неизбежным.

Источник

Нейтрино нужно разговорить

Конструирование Байкальского нейтринного телескопа. Фото Б. Шайбонова (ОИЯИ)

Об этом и многом другом журналист Ян Махонин поговорил с доктором физико-математических наук Дмитрием Наумовым, заместителем директора по научной работе лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.

В интервью он рассказал не только о физике нейтрино, но и о своем жизненном пути, исследовательской и административной деятельности и о том, как институт выжил в девяностые годы и как функционирует сейчас.

Роль нейтрино в эволюции Вселенной и галактик

— Сегодня изучение свойств нейтрино является одним из ключевых направлений исследований физики частиц. Почему?

— Гипотеза о существовании нейтрино была предложена Вольфгангом Паули в 1930-е годы для того, чтобы спасти закон сохранения энергии. Нейтрино выступило на сцену как спаситель этой важнейшей концепции в науке. Позже, когда нейтрино открыли и когда изучили некоторые его свойства, было обнаружено, что физика нейтрино в нашем мире и в «кэрролловском зазеркалье» сильно различается. Это натолкнуло создателей Стандартной модели на идею ее правильного построения. С тех пор прошло уже порядка 50 лет, и физики понимают, что, несмотря на успешность Стандартной модели, остаются две загадки: темная энергия и темная материя. Необходима новая теория. И сейчас надеются, что если мы сможем аккуратно измерить все свойства нейтрино, то оно снова укажет нам путь, на этот раз за пределы Стандартной модели.

— Что мы знаем на данный момент о роли нейтрино в эволюции Вселенной?

— В эволюции нашей Вселенной нейтрино играет довольно серьезную роль. Например, после Большого взрыва, считающегося рождением Вселенной, в первые доли секунды нейтрино вместе с фотонами, электронами, протонами, нейтронами и т. д. образовали «горячий суп» из частиц. Если бы число типов нейтрино в газе было другим, то у этого газа были бы несколько другие свойства, и это привело бы к несколько другой эволюции Вселенной. Нам известно, что масса нейтрино составляет не более одного электронвольта (эВ). Если бы, скажем, масса нейтрино была 50 эВ, то наша Вселенная уже давно сколлапсировала бы обратно в точку, в так называемую сингулярность.

— Какую роль играет нейтрино в возникновении галактик? Претендует ли оно на роль частиц темной материи?

— Согласно современным представлениям, галактики не могли образовываться самостоятельно. Звезды находятся слишком далеко друг от друга, чтобы объединиться в галактику. Возможным решением проблемы является гипотеза темной материи, заполняющей пространство между звездами и усиливающей действие гравитационного поля. Нейтрино по-прежнему играет роль возможного кандидата на роль темной материи. И снова всё зависит от того, какие у нейтрино свойства и масса. Если бы масса нейтрино была слишком маленькая, то такая темная материя приводила бы, наоборот, к тому, что никакие галактики не могли бы образоваться. Если масса нейтрино потяжелее, они могли бы играть роль темной материи.

— Можете ли вы привести такой пример важности нейтрино, который касался бы непосредственно нас всех?

— Рассмотрим наше Солнце. Если бы нейтрино не существовали, то Солнце бы вообще не горело. Самая первая реакция, благодаря которой Солнце зажигается, — это когда два протона сливаются друг с другом, превращаются в дейтрон, позитрон и нейтрино. Без нейтрино такой реакции не было бы, Солнце не горело бы и, соответственно, не было бы жизни на Земле.

— Исследуя нейтрино сверхвысоких энергий, сможем ли мы понять, что было с нашей планетой и с нашей Галактикой в момент их возникновения?

— К ответу на этот вопрос стремится, например, эксперимент Baikal-GVD, который исследует нейтрино с очень большими энергиями. Оказывается, когда образуются галактики, в их центре практически всегда возникает черная дыра. Сначала она небольшая, но постепенно начинает пожирать вещество вокруг и разрастается до миллионов масс нашего Солнца, иногда даже до миллиардов. То есть заметная доля массы всей галактики может сидеть в одной черной дыре.

Эта черная дыра пожирает вещество звезд вокруг себя, постоянно увеличиваясь в размерах. Вещество от этих звезд закручивается вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск, нагревается и ярко светится. Это красивое и драматическое явление. Сама черная дыра, конечно, не может излучать свет, но благодаря этому светящемуся газу она становится одним из самых ярких объектов во Вселенной. Газ закручивается в определенной плоскости, и в направлении, перпендикулярном этой плоскости, черная дыра иногда выбрасывает мощную струю газа, которую не смогла «переварить». В этой струе возникает самый мощный ускоритель, который существует во Вселенной. Он ускоряет частицы до совершенно безумных энергий. В том числе там возникают такие прозаические для земных ускорителей частицы, как пионы, каоны и другие, которые ускоряются и при своих распадах частенько дают нейтрино. Мы на Земле такие ускорители построить не можем.

Кроме того, для нас важно слабое взаимодействие нейтрино. Если выстроить миллиард солнц по порядку, одно за другим, нейтрино с энергией 1 млн эВ, пролетая сквозь этот строй, провзаимодействует с веществом всего один раз. Так что оно без проблем покидает область черной дыры, проходит через половину Вселенной и может прийти к нам и принести информацию о том, как и где оно родилось. По пути оно не отклоняется ни электромагнитными, ни гравитационными взаимодействиями.

— Значит, нам больше не нужен обычный телескоп? Мы можем читать информацию о галактиках прямо с помощью нейтрино?

— Есть такие места во Вселенной, про которые мы не сможем надежно ничего сказать без регистрации нейтринного сигнала оттуда. Нейтринная астрономия возможна при условии, что мы на Земле сможем аккуратно установить, откуда к нам пришло нейтрино. А сделать мы это можем потому, что у нейтрино очень большая энергия, и все частицы, которые оно рождает, когда взаимодействует в детекторе, будут лететь строго в том же направлении, откуда нейтрино само пришло. Например, наш байкальский телескоп Baikal-GVD регистрирует черенковское излучение, которое генерируют эти заряженные частицы, и может достаточно хорошо, с точностью лучше одного градуса, определить направление нейтрино. Однако рождение новой науки — нейтринной астрономии — не отменяет обычную астрономию с классическими телескопами, которые остаются лучшими приборами для менее труднодоступных мест во Вселенной.

Скопление галактик Abell 2744 (скопление Пандоры). Распределение массы: галактики — около 5%, газ — около 20% (условно красного цвета, на самом деле он испускает рентгеновское излучение), невидимая темная материя — около 75% (условно синего цвета, на самом деле обнаружена с помощью гравитационного линзирования). Фото из «Википедии»

Физики-теоретики и физики-экспериментаторы

— Исследование нейтрино стоит на перекрестке физики частиц, космологии и астрофизики. В ОИЯИ применяется междисциплинарный подход?

— В ОИЯИ пока мало астрономов или космологов, которые бы занимались исследованием нейтрино. Но мы работаем в большой международной команде, и, конечно, есть коллеги-астрофизики, которые используют наши результаты. В итоге нам не так уж важно, где числится или работает человек. Все эти результаты мгновенно становятся известны, и, действительно, очень важно, что работа ведется в такой междисциплинарной области. Это значит, что результаты, которые мы получаем, изучая нейтрино, переосмысливаются в более глобальном контексте. Это, к примеру, позволяет понять, что происходило во Вселенной в целом, как образовывались галактики, какие механизмы приводили к тому, что возникали активные галактические ядра, как нейтрино проходит через плотное вещество. То есть при помощи этих сверхэнергичных нейтрино мы, фактически, восстанавливаем прошлое, заглядываем примерно на 4–5 млрд лет назад и восстанавливаем тогдашнюю ситуацию.

— В исследованиях нейтрино вы с коллегами придерживаетесь какой-нибудь конкретной теории Новой физики?

— Нет. В этом смысле экспериментальная физика хороша тем, что мы просто получаем экспериментальный результат, а потом теоретики в рамках разных теорий или моделей пытаются этот результат проверить и осмыслить, определить, вписывается ли он в ту или иную теорию или нет. На прецизионное измерение тонких свойств нейтрино нацелен, например, международный проект JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory). Это как раз тот самый путь к Новой физике. JUNO уже рутинным образом будет использовать явление нейтринных осцилляций для исследования свойств нейтрино. Важнейшую роль в установлении самого явления нейтринных осцилляций сыграл эксперимент Daya Bay. За это, кстати, многие участники коллаборации Daya Bay были удостоены самой крупной премии в науке — «Прорыв в фундаментальной физике» за 2016 год. Оба этих эксперимента проводятся с ядерными реакторами в Китае, и в обоих принимают активное участие ученые из ОИЯИ.

— Как вы взаимодействуете с физиками-теоретиками? Чешско-французский физик Франтишек Легар, работавший в 1960-е годы в ОИЯИ, делил их на более и менее «полезных» для физиков-экспериментаторов. Вы бы с ним согласились?

— Вообще, разделение на теоретиков и экспериментаторов для меня лично достаточно условное. Более правильно говорить — хороший и плохой физик. Потому что, когда кто-то говорит: «Я экспериментатор, я формулы писать не умею» и вообще не знает, как интерпретировать то, чем он занимается, его заключения для меня не имеют большого значения. И точно так же, когда теоретик говорит: «Я не представляю как измерить то, что я посчитал», это означает, что он не разобрался в явлении. По-моему, если человек понимает физику, он способен объяснить ее на пальцах любому, включая ребенка, и он может предложить метод измерения, пускай самый простой, и понять, как интерпретировать результаты этого измерения. Кто-то лучше пишет формулы, кто-то лучше работает с приборами, но хорошие физики всегда находят общий язык.

Древние античные философы полагали, что можно чисто умозрительно, без эксперимента, понять, как устроена Вселенная. Позже, уже во времена Галилея, ученые осознали, что единственный верный путь — ставить эксперименты. Хорошая теория должна быть способна объяснить не только старый, накопленный материал, но и новый. Наша конечная цель — получить правильную картину физического явления. Современные эксперименты уже, как правило, настолько сложны, что всё то, что мы наблюдаем, всегда нуждается в теоретическом описании. Нельзя, например, сказать, что мы в каком-то эксперименте «увидели» бозон Хиггса. На самом деле мы реконструируем очень косвенные характеристики определенного явления. Мы смотрим на следы, которые оно оставляет.

Точно так же, только еще сложнее, обстоят дела и в астрофизике. Проект Baikal-GVD позволяет нам рассматривать сигналы из оптических модулей. Затем в рамках теоретической модели, которая основана на том, что существует черенковское излучение, мы пытаемся реконструировать направление прилета той или иной частицы. Дальше вместе с теоретиками мы должны понять, где ее источник, какие механизмы могли бы приводить к рождению этих высокоэнергетических нейтрино и так далее. Без теоретиков и теоретического осмысления невозможно получить настоящий результат.

Польза от нейтрино «для народного хозяйства»

— Что вы можете сказать о прикладных исследованиях в области нейтринной физики?

— В какой обстановке проводятся эти эксперименты?

— На Калининской АЭС находятся четыре реактора, и под каждым из них согласно проекту существует пустая комната. ОИЯИ и Институту теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) благодаря договоренностям с Росатомом было разрешено поставить в эту комнату научное оборудование. Таким образом, получилось создать лабораторию с самым маленьким расстоянием до центра ядерного реактора — порядка 8 метров.

— Там существует надежная защита от всего ядерного излучения. От нейтрино защититься нельзя, но оно и не может навредить здоровью. Детектор массой около тонны может регистрировать огромные потоки нейтрино, собирая большую статистику данных — порядка пяти тысяч событий в день. Один из экспериментов — это поиск стерильных нейтрино, другой — поиск возможного магнитного момента у нейтрино, третий — исследование и измерение вероятности когерентного рассеяния нейтрино на ядре.

— Поясните, пожалуйста, о чем идет речь.

— Процесс когерентного рассеяния весьма интересен, поскольку на фундаментальном уровне нейтрино взаимодействует с протонами и нейтронами, из которых состоит ядро. Еще точнее — с кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Так вот, при энергиях нейтрино порядка нескольких миллионов электронвольт оказывается, что вероятность взаимодействия нейтрино с ядром, содержащим N нейтронов, больше соответствующей вероятности взаимодействия с одним нейтроном в N 2 раз! Этот эффект возникает в результате когерентного сложения амплитуд вероятности и служит замечательной иллюстрацией законов квантовой механики. Недавно этот процесс был обнаружен коллаборацией COHERENT.

— Каково практическое значение таких экспериментов?

Не менее, а, может быть, даже более важна польза от развития технологий, связанных с исследованием нейтрино, необходимых для того, чтобы сделать следующий шаг в науке.

— То есть с помощью нейтрино можно осуществлять контроль за ядерной безопасностью?

Методика, использующая нейтрино для оценки количества рожденного плутония-239, сейчас в стадии разработки. В рамках международного эксперимента на АЭС Daya Bay в Китае мы с коллегами надежно доказали, что это работает. Мы этот эффект увидели, и в разных научных центрах исследуются возможности его прикладного применения.

Один из восьми антинейтринных детекторов на АЭС Daya Bay в Китае. Фото из «Википедии»

— Как еще может практически применяться нейтрино?

— Поскольку нейтрино довольно слабо взаимодействует с веществом, оно может без проблем пройти сквозь Землю. Но чем больше вещества, тем чаще нейтрино с ним взаимодействует. Более того, число взаимодействий нейтрино внутри нашей планеты будет зависеть от типа атомов тех или иных веществ, от того, сколько протонов и нейтронов в ядрах этих атомов. Никаких других надежных способов проникнуть внутрь и узнать, из каких химических элементов состоит Земля, пока не существует. Для томографии Земли можно использовать атмосферные нейтрино.

— На Землю постоянно падают космические протоны, они взаимодействуют с ядрами азота, кислорода и других элементов атмосферы и рождают пионы, каоны и другие частицы, которые иногда распадаются с рождением нейтрино. Поэтому вся атмосфера светится нейтрино. Со всех сторон они падают на Землю, проходят сквозь Землю, и, если поставить достаточное число детекторов и измерить, сколько нейтрино проходит с той или иной ее стороны, можно просканировать Землю.

— Развитие нейтринной физики сопровождается созданием новых установок и оборудования. Насколько они применимы в других областях науки и в повседневной жизни?

— Любой физический эксперимент, в том числе с нейтрино, находится на переднем крае науки. Соответственно, каждый следующий шаг всегда требует новых технологий. А потом этими технологиями пользуется всё человечество, уже без всякой связи с нейтрино.

— Можете привести пример?

— Скажем, высокочувствительные фотоэлектронные умножители. Их можно использовать в медицине, в томографии.

Нейтринный телескоп на Байкале

— На какой стадии находится строительство Байкальского нейтринного телескопа?

Дмитрий Наумов принимает деятельное участие в создании Байкальского нейтринного телескопа. Фото Б. Шайбонова (ОИЯИ)

— Что конкретно достигнуто?

— В основном силы коллаборации сейчас брошены именно на строительство экспериментального прибора. Параллельно ведутся серьезные работы, связанные с анализом экспериментальных данных. Уже сейчас есть некоторые интересные кандидаты на нейтринное взаимодействие с огромными энергиями.

— Какое значение для вашей работы имеет обнаружение нейтрино ультравысоких энергий в 2013 году в рамках эксперимента IceCube в Антарктиде?

— Это важнейшее открытие играет ключевую роль. Мы теперь знаем, что наш телескоп обязательно увидит нейтрино из космоса, а значит, инвестиции будут не напрасны. Отличные свойства байкальской воды могут позволить нам определить источники нейтрино сверхвысоких энергий.

— Входит ли в ваши планы создание на Байкале полноценной нейтринной обсерватории, сравнимой с IceCube?

— Конечно. На 106-м километре Кругобайкальской железной дороги есть станция, где находится наш нейтринный Береговой центр. Центр серьезным образом модернизируется, появляются новые жилые домики, новая береговая станция для сбора информации с нейтринного телескопа. Там очень красиво, туда приятно будет приезжать, жить там и работать. Он станет очень важным мировым центром нейтринной физики.

Нейтрино из глубин Земли

— Что такое геонейтрино?

— Если копать вглубь Земли, она становится всё более и более горячей. В самом центре Земли находится очень горячее железное ядро. Это знает, наверное, каждый школьник. Но вот почему к центру Земли становится всё горячее — никто не знает наверняка.

Существуют две модели, объясняющие это явление.

Первая: когда планета была еще холодная, более тяжелые элементы начали опускаться вниз, более легкие всплывали к поверхности. В результате такой гравитационной дифференциации начало выделяться тепло, которое нагревало внутренность Земли.

Вторая модель предполагает, что внутри нашей планеты находятся радиоактивные элементы, такие как уран или торий. В распадах этих радиоактивных ядер, как и в ядерном реакторе, выделяется тепло, и оно идет на то, чтобы нагревать планету. Чтобы проверить вторую гипотезу, можно воспользоваться тем, что в таких ядерных распадах обязательно должны рождаться антинейтрино. Если мы сможем увидеть антинейтрино, идущие прямо из глубин Земли с энергиями, характерными для распадов ядер, то мы сможем определить вклад этого механизма в разогрев планеты.

Два эксперимента несколько лет назад обнаружили антинейтрино, идущие из глубин Земли. Это эксперимент KamLAND в Японии и эксперимент Borexino в Италии. В последнем эксперименте принимают участие ученые из ОИЯИ. Хотя само существование геонейтрино надежно подтверждается данными обоих экспериментов, точность измерения потоков пока не очень высока; общее число наблюдаемых событий около двух сотен. Тем не менее это позволяет говорить о том, что такой сигнал есть. Интерпретация результатов экспериментов показывает, что примерно половина тепла Земли приходится на радиоактивные распады ядер. В итоге мы теперь принципиально по-новому понимаем, что происходило с нашей планетой и что находится внутри нее.

Личная история

— Теперь расскажите, пожалуйста, о себе. Откуда вы родом?

— Я родился в Кемерово, но прожил там всего полгода. Моя семья переехала в Иркутск, и там прошли первые двадцать лет моей жизни. Образование я получил в Иркутском государственном университете.

— Так что Байкал — это ваш дом?

— Да, это мое родное место.

— Как Вы попали в ОИЯИ?

— Когда я закончил четвертый курс, к нам в Иркутск приехал профессор Владимир Борисович Беляев из Лаборатории теоретической физики (ЛТФ) ОИЯИ. Он посетил Байкал, организовал у нас семинар, и мой научный руководитель — профессор Александр Николаевич Валл — представил ему меня и мою однокурсницу Нину Шевченко. Владимир Борисович с нами поговорил и пригласил нас приехать в Дубну на дипломную практику.

Так мы оказались в ОИЯИ. После этого я остался в Дубне. Нина тоже некоторое время работала в Дубне. Сейчас она работает в Чехии, в Институте ядерной физики Академии наук Чешской Республики в городе Ржеж, она там успешный физик и регулярно приезжает в Дубну как лектор.

Здание Объединенного института ядерных исследований в Дубне

— Вы учились в девяностые годы. Каковы были перспективы у молодого ученого в ельцинской России? Вы не задумывались об отъезде из страны?

— Для меня девяностые годы — это прежде всего годы моей юности. Поэтому, что бы там ни было, я их вспоминаю с теплотой. Несмотря на то, что материальная ситуация в стране была очень тяжелая, мои родители сделали максимум для того, чтобы я и мой младший брат ни в чем не нуждались. Благодаря родителям мы были окружены большой заботой и уютом.

Однако люди старше меня на десять, двадцать лет должны были зарабатывать деньги сами, и сделать это тогда было очень сложно. В науке это было практически невозможно. Очень многие из-за этого покинули науку, ушли в бизнес или другие области, а те, кто хотел остаться в науке, постарались уехать за границу. Время от времени мы видимся за рубежом. Когда материальная ситуация выровнялась, некоторые из них вернулись в страну, правда, немногие. Например, мой отец как раз относится к поколению, сильно ощутившему на себе реалии девяностых. Он многие годы проработал за границей, зарабатывая на наше счастливое детство. А потом вернулся в Россию и сейчас работает руководителем сектора в ЛТФ ОИЯИ.

— Как в девяностые выживал ОИЯИ?

— Директором в ОИЯИ в то время был сначала академик РАН Владимир Георгиевич Кадышевский, а с 2006 года — академик РАН Алексей Норайрович Сисакян. В девяностые годы основные усилия они тратили на то, чтобы сохранить наш институт. Они понимали, что много людей из ОИЯИ, как и со всей страны, уезжает на Запад, и они, тем не менее, пытались сделать максимум для того, чтобы институт сохранился и чтобы там работала молодежь.

Им удалось это сделать и даже заложить важнейший фундамент для развития ОИЯИ сегодня. Хорошо работающих молодых ученых поддерживали. У нас тогда основным источником дохода были командировочные деньги, которые нам выдавали, когда мы ездили в CERN. Если мы проводили в CERN два месяца, этого в принципе хватало на целый год. Алексей Норайрович с коллегами заложили серьезный фундамент для развития ОИЯИ.

— Почему вы в эти годы не уехали из ОИЯИ и не остались работать на Западе?

— На самом деле, мне в ОИЯИ было интересно. У меня была очень интересная физическая задача, я этим делом занимался с большим удовольствием, и опять же — мои родители меня финансово поддерживали, и я, в принципе, никогда не был в ситуации, когда у меня не было бы денег на еду, на основные нужды.

— Каким примерам вы следовали во время учебы? Вы чувствуете себя сторонником какой-нибудь школы, конкретной традиции, связанной с конкретными личностями?

— В моей жизни, конечно, были люди, которые помогли мне стать тем, кто я есть. Важную роль в моей жизни сыграл мой первый научный руководитель профессор Александр Николаевич Валл. Мне в нем очень импонировало то, что в любом сложном физическом вопросе, которым он занимался, он всегда пытался разобраться настолько, что вопрос оказывался тривиальным. Он его всегда очень по-простому мог излагать. И любую тему он всегда излагал по-своему.

Важнейшую роль в моем становлении сыграл мой отец — физик-теоретик, очень талантливый человек с глубоким пониманием науки и энциклопедическими познаниями.

Очень многому я научился из книг. В студенческие годы я был под сильным впечатлением от американского физика Ричарда Фейнмана. Я читал и изучал его книги. Мне очень нравился и до сих пор нравится его научный стиль, который отличает ясность, простота и отсутствие скуки.

Сегодня развиваться дальше мне помогает общение с моими учениками и молодыми сотрудниками.

— Вы провели несколько лет за границей — во Франции, в Италии.

— После того, как я в Дубне получил степень кандидата физико-математических наук, я решил сделать следующий шаг, еще раз сменить поле деятельности. Во время аспирантуры я занимался экспериментами в CERN с ускорительными нейтрино и достаточно хорошо изучил эту физику. Но потом решил, что надо изучить что-нибудь новое, и это была физика космических лучей, астрофизика. Я подал заявку на постдок-позицию во Францию, в город Анси-ле-Вье (Annecy-le-Vieux), выиграл ее и проработал там полтора года. За это время я выучил французский язык.

Потом я получил постдоковскую позицию для иностранных специалистов в Италии. Я был первым в списке отобранных ученых, поэтому мог сам выбрать город и институт, где работать. Так получилось, что одновременно я выиграл позицию в Германии, в Мюнхене. Несмотря на то, что там предлагали зарплату в полтора раза больше, я выбрал Италию, Флоренцию. С этим городом у меня давние связи. Мой отец тоже там работал, и наша семья там прожила несколько лет. Кроме того, я хотел поработать с моим другом, флорентийцем Серджио Боттаи. Поэтому я решил, что лучше быть на более скромной зарплате, но заниматься делом, которое больше нравится.

— После Вашего европейского опыта чувствуете себя «западником»? Почему вы не уехали из России?

— Я по своему характеру демократически настроенный человек, и мне близки западные ценности. Но близки они мне не потому, что я поработал за границей и «заразился» западными ценностями, а, скорее всего, по складу моего характера. Я за мир, я против коррупции, против всего плохого и за всё хорошее. При всем при этом я люблю свою страну и поэтому вернулся сюда. Еще сравнительно молодым, в возрасте 25–28 лет, я получал довольно заманчивые предложения, например, стать профессором физики в США. Это даже льстило моему самолюбию, но на тот момент я руководил группой молодых ребят в Дубне, и я ни в коем случае не хотел их бросать, так что решил никуда не уезжать и старался здесь, в Дубне, построить свой мир.

Как совместить административную и научную работу?

— Вы начинали в ЛЯП в качестве младшего научного сотрудника, сегодня вы заместитель директора ЛЯП по научной работе. Что вы считаете главным двигателем вашей научной карьеры?

— Я никогда не любил должности и никогда к ним не стремился. Наука — вот единственное, что меня интересовало в научной карьере. Потом, в определенный момент, оказалось, что члены нашего коллектива рассматривают меня как кандидата на позицию руководителя сектора. Я был еще довольно молодым человеком, для меня было удивительно, что кто-то считает, что я мог бы руководить людьми, которые старше меня. В итоге я на этой должности проработал примерно десять лет. Она была в административном смысле довольно скромная, но, тем не менее, я сразу ввел некоторые принципы, которыми руководствовался тогда и которыми руководствуюсь и сейчас, когда занимаю более высокую должность.

— Как вы стали заместителем директора лаборатории по науке, в которой работает порядка 650 сотрудников?

— Профессор Вадим Александрович Бедняков, когда стал директором ЛЯП, пришел ко мне однажды и сказал, что хочет мне предложить, чтобы я в лаборатории отвечал за нейтринную физику на должности его заместителя. Я некоторое время подумал и принял это предложение, хотя для меня это был совсем не простой шаг. Это, конечно, совершенно другая работа, которой я раньше не занимался. Приходится заниматься многими вещами, не имеющими прямого отношения к физике нейтрино. Лазить по крышам, когда они начинают протекать, чердакам, подвалам. Заниматься обновлением парка станков, обновлением производственных и проектных процессов, налаживанием разрушенных связей и созданием новых. Успешная работа большой научной организации требует отлаженных связей многих специалистов и служб. Этой картины я не видел со своей предыдущей позиции. Осознав это, я с энтузиазмом взялся за большой круг задач и продолжаю их тянуть по сей день. Радует, когда видишь, как обновляется наша лаборатория и растет научно-технический уровень сотрудников. Это было бы невозможно без всемерной поддержки дирекции ОИЯИ, а также слаженной работы всего коллектива.

— Вы упомянули о принципах, которыми руководствуетесь в работе. Назовите их, пожалуйста.

— Я не приемлю вещей, связанных с коррупцией, безропотным подчинением, отсутствием свободы, халтурным отношением к делу.

— Вы не боитесь, что на административной должности вам придется частично или полностью пожертвовать наукой?

— В целом, я согласен с тем, что чем выше административная позиция, тем меньше удается заниматься наукой. Конкретная позиция, при которой происходит резкий переход, зависит от многих факторов: самой научной организации, ситуации в стране, мире, от самого человека, в конце концов. Мне повезло в том, что я занимаю довольно высокий пост, но при этом занимаюсь наукой, любимым делом. И заодно могу организовывать людей, вдохновлять их и привлекать, чтобы они этим делом тоже занимались. Если бы этот пост предполагал только административную работу, я бы на него не согласился. Такая возможность требует больших душевных и временных затрат. Нужны также организованность и порядок в работе. Если всё бы приходилось делать в пожарном порядке, то ни о какой науке речи бы уже ни шло.

— Насколько в ОИЯИ выстроена «вертикаль», или наоборот, работают горизонтальные отношения между учеными разных званий и уровней?

— ОИЯИ — институт довольно демократический. В нашей лаборатории ЛЯП демократии даже больше среднего. Любой человек может зайти ко мне или к директору, у нас не надо записываться через секретаря, я большую часть времени общаюсь с людьми, у которых вообще нет никаких должностей, с молодежью, техниками из механических мастерских, инженерами, физиками — мне это без разницы. Главное, чтобы это приносило пользу для дела. И институт, в общем, тоже весьма демократичный. Тут все спокойно горизонтально и вертикально общаются, включая центральную дирекцию, но там, разумеется, они более заняты, постучать к ним в дверь уже не так просто. У директора, академика РАН Виктора Анатольевича Матвеева, календарь на год вперед расписан. Но тем не менее, в каких-нибудь важных ситуациях, даже к нему можно достучаться любому человеку. Строгой армейской иерархии у нас нет.

— Вы долгое время руководили Байкальской международной школой по физике элементарных частиц и астрофизике. Что она собой представляет?

— Байкальская школа — это мое детище. Я эту школу в свое время создал вместе с Александром Николаевичем Валлом. Базируется она в поселке Большие Коты на Байкале. Ее идея была очень простая: когда я встал на ноги в ОИЯИ, то понял, что могу и должен помочь людям из Иркутского университета и в целом из российской провинции заводить связи в научном мире, двигаться и передвигаться по стране и, может быть, по всему миру.

Система, которая существовала в то время в Иркутске и в многих других точках нашей страны, была очень косная, и даже если человек, который заканчивал университет, был очень талантливым и образованным, устроиться ему в родном университете было очень сложно. Новых научных ставок почти не было, а чтобы кого-то устроить, надо было уволить кого-то другого, кто был, скорее всего, даже лучшим специалистом, чем молодой выпускник. И это было бы, конечно, несправедливо. Я видел, что существует какой-то барьер, что человек упирается головой в потолок и выйти невозможно. Поэтому многие талантливые люди либо уходили из науки вообще, либо искали счастье где-то на стороне.

Со мной было бы тоже самое, если бы, по счастливой случайности, профессор Владимир Борисович Беляев не приехал в Иркутск — и я не оказался бы в Дубне. А в Дубне ситуация обратная. Здесь так много научных проектов, что здесь всегда есть потребность в новых кадрах. Мы всегда с большим удовольствием принимали молодежь, у нас и сейчас ее много. Я решил, что надо сделать такую школу, на которую приезжали бы сильные ученые, иностранные и российские, и на очень высоком уровне, с высоким стандартом качества, рассказывали бы о современной физике. И иркутские студенты, и студенты из других российских университетов, в свою очередь, могли бы там учиться, заводить связи, и, таким образом, открывать себе возможности, чтобы найти работу по душе.

— Когда и как вы основали Байкальскую школу?

— Школу мы основали в начале 2000-х годов. У нас не было денег, первые школы проходили буквально на наши суточные деньги, которые мы получали от института. Всё проводилось почти на общественных началах. Наш институт в то время не вкладывал в школу существенных денег, потому что еще не было известно, что из всего этого выйдет. Но довольно быстро Байкальская школа приобрела известность не только в России, но и за рубежом и даже, в определенном смысле, стала стандартом качества. Люди стремились попасть на эту школу, считали серьезным и даже престижным, если они смогут сюда приехать и позаниматься со студентами. В итоге наш институт стал весьма серьезно финансировать это мероприятие. Я был вместе с Александром Николаевичем сопредседателем этой школы 15 лет.

После смерти Александра Николаевича Валла я подумал, что будет правильно, если дам дорогу другим. К тому моменту у меня уже был очень хороший друг — Игорь Иванов, который на эту школу тоже попал сначала как лектор и слушатель, а через некоторое время стал играть важную роль в ее организации. Он очень активный и талантливый физик, блестящий лектор и очень любит преподавать. Через некоторое время я предложил ему поработать членом оргкомитета школы, понял, что он не только блестящий ученый и лектор, но и очень хороший руководитель, и без сомнения передал ему бразды правления. Со стороны Иркутского университета соруководителем был выбран профессор Александр Евгеньевич Калошин. Сегодня они оба руководят школой.

Нам удалось сохранить эту школу на очень высоком уровне потому, что мы стараемся следовать правилу: одного человека больше двух раз не приглашать. Другими словами — мы не приглашаем туда людей отдыхать.

— Является ли ОИЯИ на самом деле организацией с международной правосубъектностью, как говорится в его уставе? А если да, то в чем выгоды и невыгоды такого положения?

— ОИЯИ — полноценная международная организация, несмотря на то, что она находится в России и что большую часть бюджета составляет вклад российского правительства. И, насколько я могу судить, Российская Федерация тоже с большой любовью и уважением относится к нашей организации, старается поддерживать ее статус и оказывает институту высокое доверие, как и остальные страны-участницы. Мы стараемся сделать здесь жизнь такой, чтобы всем людям из разных стран было интересно работать в науке, и стараемся создавать хорошие условия для работы, жизни и для отдыха.

Дирекция ОИЯИ проводит очень большую и важную работу по привлечению новых людей в наш институт, по созданию условий работы, отвечающих духу времени, по модернизации всего института — от инфраструктуры до принципов научной работы. Ситуация за последние пять лет очень сильно изменилась: к нам приезжает довольно много иностранных специалистов, и это говорит о том, что ОИЯИ становится всё более и более привлекательным местом для работы.

— Что можете сказать по личному опыту о стиле жизни и атмосфере, царящей в Дубне и ОИЯИ?

— Я здесь остался, помимо прочего, потому, что мне очень нравится этот город и этот институт. Здесь очень своеобразная, творческая атмосфера, люди любят свой красивый город, вокруг очень много воды. Работаешь в одном из самых важных научных центров в нашей стране и при этом живешь практически на курорте. Что может быть лучше?

— Какие у вас лично отношения с нейтрино? Оно вездесущее, мирное, не может навредить, не конфликтует. Вы дружите?

— Мы не завели личных связей друг с другом — на работе романов лучше не заводить. Однако эта неприступная частица позволила нам понять, что наш мир и «зазеркалье» управляются немного разными физическими законами. Если нейтрино разговорить, оно расскажет много интересного и важного о законах природы и о самых далеких уголках Вселенной. Этого более чем достаточно, чтобы относиться к нейтрино с уважением.

— Спасибо за интересный разговор! Желаю удачи во всех областях вашей деятельности.

Источник

Что такое нейтринная связь и зачем она нам нужна

Впервые передать информацию с помощью нейтрино удалось ученым из американской Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми 14 марта 2012 года.

Огромный поток нейтрино постоянно пронизывает нашу планету. Но поймать такую частицу – задача весьма нетривиальная. Для этого используются вещества-сцинтилляторы: изотопы хрома, галия или др. В результате взаимодействия частиц и сцинтиллятора возникает Черенковское излучение. Именно это излучение регистрируется фотоприёмниками детектора Minerva. В роли источника используется инжектор NuMi, выбрасывающий протоны с энергией в 120 ГэВ.

В ходе эксперимента инжектор и приёмник были расположены друг напротив друга на расстоянии в 1035 метров ( детектор располагался под землёй, на глубине более сотни метров). Удалось передать пакет данных длиною в 156-бит, в котором было зашифровано слово neutrino.

Использование нейтринной связи пока что ограниченно скоростью работы детектора Minerva и его чувствительностью. Но нано технологии обещают большие перспективы в этом направлении. Развитие технологий использующих нейтрино откроет новые возможности в развитии нейтринной астрономии.
Источники литературы: 1 и 2

Источник

Что такое нейтрино

Нейтрино — элементарная частица с очень маленькой массой. Они причислены к классу лептонов, имеют полуцелый спин и могут участвовать только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Нейтрино, хоть и слабо, но всё же взаимодействуют с материей. А это означает что у неё есть какая-то масса! Определение её массы было чрезвычайно важно. Если узнать массу одной частички, можно примерно определить их суммарную массу и плотность. Масса эта даст вклад в общую массу Вселенной, а это очень важный показатель в современной космологии и используется в множестве расчётов. За одну секунду каждый квадратный сантиметр нашего тела пронзают примерно 60 000 000 000 нейтрино, которые посылает нам Солнце.

В переводе с итальянского, название этой частицы звучит как «нейтрончик». В. Паули Вольфганг Эрнст Паули — швейцарский физик-теоретик, работавший в области физики элементарных частиц и квантовой механики первым допустил наличие электрически нейтральных лёгких частиц, имеющих половинный спин. В отличие от Паули, который считал, что частица находится в ядре в готовом виде, Ферми допустил что она рождается в процессе внутриядерного превращения нейтрона в электрон и протон. В результате, протон остаётся в самом ядре, а электрон вместе с нейтрино вылетает в пространство.

Солнечные нейтрино

Наше Солнце, фактически являясь огромным термоядерным реактором, образует огромное количество нейтрино. Потоки этих частиц регистрируются на Земле с конца 60-х годов ХХ века. Но число частиц получается отличным от модели, которая описывает солнечные процессы на Солнце. Такое расхождение долго оставалось тайной солнечной физики.

Скорость нейтрино — не быстрее света

В конце 2011 года научный мир всколыхнула новость о превышении световой скорости мюонными нейтрино. Эксперименты проводились на ускорителе в ЦЕРНе. Было заявлено о превышении скорости света на 0,00248%. Но после тщательных и независимых измерений оказалось, что сенсация преждевременна. Ошибки в расчетах возникли из-за плохого стыка в одном из оптических кабелей.

Где применяют

Нейтринное охлаждение звёзд

Нейтринное охлаждение играет значительную роль при взрыве сверхновых. Нейтринные потоки, свободно исходящие из недр взорвавшейся сверхновой звёзды, уносят энергию из эпицентра взрыва, тем самым охлаждая звезду. Значения температур во время взрыва очень высоки, и нейтрино с большей эффективностью выводит энергию из внутренних областей. По этому же принципу со временем остывают белые карлики и нейтронные звёзды.

Источник

Что такое нейтрино

Нейтрино − фундаментальные частицы, лептоны, не имеющие заряда и обладающие крайне малой массой. Изучение этих частиц является одним из важных направлений в физике, поскольку дает возможность обнаружить эффекты, находящиеся за пределами стандартной модели.

Нейтрино как фундаментальная частица

Появление такого объекта, как нейтрино, в физике частиц, неразрывно связано с явлением бета-распада. Этот распад обладает известной особенностью − непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде. Единственным способом устранить противоречие с законами сохранения было введение новой частицы, обладавшей малой массой и нейтрально заряженной. Нейтрино впервые предложил Паули, и сразу указал, что регистрация подобной частицы окажется весьма трудной задачей.

Это оказалось правдой − изучение нейтрино потребовало специфических технических решений. Однако в итоге оно было изучено достаточно подробно. В частности, стало понятно, что нейтрино не является истинно нейтральной частицей, и существует явная разница между нейтрино и антинейтрино. Это привело к некоторым затруднениям в начале истории их регистрации. Так же не менее существенной особенностью является существование трех типов нейтрино, соответствующих трем заряженным лептонам − электрону, мюону и таону. Закон сохранения лептонного заряда считается достаточно важным законом сохранения, а его нарушение приведет к выходу за рамки стандартной модели. В частности, поэтому и ведутся многочисленные исследования в этой области.

Методы детектирования нейтрино

Рис. 2. Эксперимент в Саванна Ривер

Первым экспериментом по детектированию нейтрино был эксперимент Ф. Райнеса и К. Коэна в Саванна Ривер (1956 г.) Строго говоря, получены были реакторные антинейтрино, в эксперименте, схема которого показана на рис.2.
В данном случае используется реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон.

p + _e → n + e +

Очевидно, позитрон быстро аннигилирует с электроном, что даст два гамма-кванта, которые можно зарегистрировать. Кроме этого, нейтрон так же возможно зарегистрировать, используя кадмий, который при поглощении нейтрона переходит в возбужденное состояние, что снова вызывает гамма-излучение. С помощью сцинтилляторов и фотоумножителей обе вспышки можно зафиксировать, что и позволило объявить о регистрации
антинейтрино.
Регистрация нейтрино оказалась сложнее. Поскольку реакция должна была идти на нейтроне, которого в свободном виде не существует, Б.М. Понтекорво был предложен хлор-аргоновый метод, в котором хлор за счет реакции нейтрино с одним из нейтронов превращался в аргон. Обнаружение аргона позволяет говорить о регистрации нейтрино в эксперименте.

Именно постановка такого опыта показала, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, и привела к открытию закона сохранения лептонного заряда. В настоящий момент методы детектирования нейтрино несколько изменились, но радиохимические, наподобие хлор-аргонового, все еще актуальны.

Современные методы изучения нейтрино

В зависимости от энергий и происхождения, детектирование нейтрино происходит разными способами. Поэтому необходимо иметь представление о том, откуда приходят к нам эти частицы. Надо помнить также основную проблему работы с нейтрино − крайне слабое взаимодействие с веществом.
Самые многочисленные нейтрино − реликтовые. К сожалению, их энергия крайне мала, и весь этот поток остается нами незамеченным. Далее идут солнечные и геонейтрино − первые вполне поддаются регистрации на многих детекторах, вторые же обыкновенно являются фоном. Следующими по энергиям наблюдаются нейтрино от некоторых астрофизических процессов, ускорителей и реакторов. Еще выше лежат энергии атмосферных нейтрино и нейтрино, испускаемых квазарами. Потоки этих частиц с ростом энергий убывают, что осложняет их детектирование. Некоторым облегчением впрочем может послужить тот факт, что при росте энергий нейтрино растет и их сечение взаимодействия с веществом.

Рис. 3. Энергии различных видов нейтрино

Методы, применяемые для регистрации нейтрино, очень сильно зависят от их источника. В изучении различных нейтрино космического происхождения одну из ключевых ролей играет черенковское детектирование. Оно требует большого объема детектора, однако хорошо зарекомендовало себя. Принцип работы данного метода следующий: ультрарелятивистское нейтрино в случае взаимодействия с веществом порождает заряженный лептон сверхвысокой энергии. Этот лептон, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в среде, порождает излучение Вавилова-Черенкова, которое возможно зафиксировать фотоумножителями. Этот метод используется в детектировании нейтрино галактического и внегалактического происхождения на так называемых нейтринных телескопах (Байкал, KM3Net, ANTARES, IceCUBE), а также в знаменитых экспериментах по регистрации солнечных нейтрино в Камиоке (Япония), о которых еще будет упомянуто в дальнейшем.
В изучении реакторных нейтрино на данный момент используют сцинтилляционные детекторы. В них используется захват антинейтрино протоном с рождением позитрона и нейтрона. Подобная реакция использовалась еще в Саванна Ривер, однако на сегодняшний день возможно строить более эффективные и компактные детекторы. Одной из разработок в данном направлении является iDREAM − промышленный детектор реакторных антинейтрино.
В эксперименте OPERA для фиксации взаимодействий нейтрино используются фотоэмульсии, которые перемежаются слоями низкофонового свинца. Кроме того, дополнительную информацию дают сцинтилляционные детекторы, дополнительные пластины фотоэмульсий, а также детекторы мюонов.

Рис. 4. Спектр солнечных нейтрино и пределы различных методов

Из перспективных, но нуждающихся в развитии методов можно отметить галлий-германиевый детектор, который имеет более низкий порог регистрации нейтрино по энергии. Идея метода существует довольно давно, и он позволил зафиксировать, к примеру, солнечные нейтрино от водородного цикла. Но, в отличие от хлор-аргонового метода, в галлий-германиевом гораздо острее стоит проблема выделения продукта реакции. Именно это затрудняет работу детекторов.
Даже в современных методах регистрации фиксируется довольно малый процент приходящих нейтрино, и это составляет значительную трудность.

Проблема солнечных нейтрино

В ядерных реакциях на Солнце нейтрино образуются в достаточно большом количестве. Разумеется, это электронные нейтрино. Модели достаточно точно предсказывали поток нейтрино, который должен при этом получаться. Однако, еще в 60-х годах было обнаружено, что этот поток в два-три раза меньше, чем предсказывается так называемой «стандартной солнечной моделью». Конечно, была вероятность, что параметры этой модели попросту неверны, ведь небольшое понижение температуры давало необходимый спад интенсивности реакции.
Одним из детекторов, наиболее точно измеривших этот недостаток нейтрино, был Super-Kamiokande. За счет того, что этот детектор собрал самую большую статистику по солнечным нейтрино в истории, стало возможным точно указать на данную проблему. Поскольку уменьшение температуры Солнца ведет к некоторым другим проблемам, решение пришло из иной области.

Масса нейтрино. Осцилляции

Еще в самом начале изучения нейтрино возникал вопрос: действительно ли это − безмассовая частица. Дело в том, что наличие у нейтрино массы повлекло бы за собой ряд достаточно интересных последствий.
В теории слабых взаимодействий кварков возникает понятие смешивания кварков. Это явление позволяет понять принципы нарушения CP-четности. Еще Б.М. Понтекорво было предложено, что аналогичное явление могло бы происходить с нейтрино. Однако для этого требовалось условие, которое не входит в нынешнюю стандартную модель: наличие у нейтрино массы. В таком случае, массовые состояния, и состояния по аромату будут различаться, и станет возможным регистрировать результат так называемых нейтринных осцилляций.
В итоге, если даже Солнце покидают исключительно электронные нейтрино, Земли будет достигать уже смешанный поток. С учетом расстояния между Солнцем и Землей, поток электронных нейтрино будет составлять около одной трети. Это вполне согласуется с результатами экспериментов в Камиоке. Поскольку многие эксперименты чувствительны только к одному аромату нейтрино, точно определить остальные компоненты оказывается сложным.
Наличие массы у нейтрино приводит к еще одной проблеме. Нейтрино и антинейтрино отличаются исключительно своей спиральностью. В случае массивного нейтрино эта разница перестает быть непреодолимой. В итоге, нейтрино может стать майорановским, то есть частица становится тождественной античастице. Наличие у нейтрино массы не дает окончательного ответа, является ли эта частица дираковской или майорановской, однако некоторые исследования могут пролить свет на этот вопрос.

Экспериментальные исследования осцилляций

Экспериментальное наблюдение осцилляций позволит определить разницу масс нейтрино (и подтвердит их наличие). На данный момент многими признано, что эксперименты в лаборатории SNO зарегистрировали как общий поток нейтрино, так и отдельно поток электронных. Это указывает на то, что от Солнца приходят частицы и других типов. Общий поток при этом хорошо согласовывался с теоретическими предсказаниями.
Эксперимент OPERA, изучающий пучок ускорительных мюонных нейтрино также зафиксировал несколько событий рождения тау-лептона. К сожалению, точно говорить о надежности этого результата пока сложно, ибо при таком числе событий выводы будут несколько поспешными.
Эксперименты с регистрацией реакторных и ускорительных нейтрино в разные годы в Камиоке также дают надежду на то, что осцилляции являются реальностью.
Для более точного наблюдения нейтринных осцилляций предполагается использование более длинной базы прохождения нейтрино. При этом планируется измерять потоки вблизи источника, и на значительном от него расстоянии. Выдвигались даже проекты, в которых пучок нейтрино проходит практически сквозь Землю, однако они сопряжены с серьезными техническими трудностями.
Астрофизические эксперименты так же пытаются со своей стороны подойти к проблеме нейтринных осцилляций. Основная цель разрабатываемого проекта ORCA − определение, какой из вариантов иерархии масс нейтрино является верным: прямой или обратный. Дело в том, что из осцилляций нам известны разницы масс, однако непонятно, как эти разницы расположены, и между какими ароматами она больше.
На сегодняшний день одной из важных целей изучения нейтрино является более точная фиксация существования осцилляций.

Измерение массы нейтрино

Непосредственное измерение массы нейтрино может оказаться связанным с бета-распадом. Дело в том, что поведение спектра бета-распада вблизи верхней границы спектра энергии электрона будет зависеть от того, какова масса нейтрино. Поэтому точные эксперименты по измерению спектра верхней границы энергии бета-распада сейчас проводятся по всему миру. Отличаться будет и поведение графика вблизи границы, и положение этой самой границы. Результатом будет непосредственное определение массы электронного нейтрино.
Подобные эксперименты чаще всего производят с бета-распадом лития. Первые работы в этой области провел еще Б.М. Понтекорво, в результате чего был установлен первый верхний предел для массы нейтрино. С каждым опытом, все более и более точным, верхняя граница отодвигается все к меньшим значениям масс, но до сих пор достоверного доказательства наличия массы у нейтрино таким способом не было получено.
Оценки для масс других типов нейтрино так же возможно получить из кинематических соображений в некоторых реакциях. Распад пиона, к примеру, позволяет наложить ограничение на массу мюонного нейтрино, а распад собственно тау-лептона позволил проанализировать соответствующее нейтрино. Однако все эти результаты являются только ограничением сверху, и пока что таким образом сложно судить о массе изучаемой частицы. Ясно только, что она крайне мала.
На данный момент известны следующие пределы масс: электронного: m m m На сегодняшний день, двойной бета-распад является данностью, когда речь идет о двухнейтринном его варианте. Да, вероятность его достаточно мала, однако у многих изотопов он достоверно обнаружен, определены согласующиеся с теорией периоды полураспада. Однако, еще в те времена, когда не было установлено различие между нейтрино и антинейтрино, была предложена концепция двойного безнейтринного бета-распада. В этом варианте нейтрино испускалось при распаде нейтрона, а затем поглощалось вторым нейтроном при обратном процессе. При этом испускаются два электрона, и изменяется лептонное число.
После того, как разница между нейтрино и антинейтрино была установлена, вопрос двойного безнейтринного бета-распада несколько отошел на второй план. Казалось, майорановское нейтрино было напрочь перечеркнуто. Однако, изучение осцилляций нейтрино предполагает две возможные природы этих осцилляций − майорановскую и дираковскую. В связи с этим, сейчас исследования безнейтринного бета-распада снова становятся актуальными. Поскольку сами осцилляции говорят нам только о разности масс, но не говорят об их природе (более того, не исключено даже то, что самое легкое нейтрино все-таки не имеет массы), проверка существования или не существования бета-распада подобного типа окажет серьезное влияние на понимание природы явления.

Перспективы исследований нейтрино

Подтверждение наличия массы у нейтрино будет первым шагом за пределы современной Стандартной модели, хотя потребует сравнительно небольшого расширения этой теории. В то же время, нарушение закона сохранения лептонного числа − довольно существенный эффект, который нельзя сбрасывать со счетов.
В практическом плане применение нейтрино стоит в самом начале своего развития. На данный момент, даже несмотря на серьезный прогресс в постройке нейтринных телескопов, существенные результаты в астрофизике еще не получены, хотя дальнейший набор статистики может это изменить.
Осцилляции нейтрино в веществе, возможно, когда-нибудь создадут условия для исследования глубинной структуры Земли, но на пути у подобного применения стоит, опять-таки, несовершенство метода регистрации.
Ближе всего к практическому применению подходит проект по мониторингу ядерных реакторов с помощью измерения потоков нейтрино. Однако, методика все еще ждет тестирования и отработки.
В любом случае, исследование нейтрино и связанных с ним явлений имеет несомненную научную ценность, и любые результаты, даже просто ставящие ограничения сверху на тонкие эффекты, чрезвычайно важна.

Источник