Международная группа исследователей попыталась, но не смогла найти брешь в современной науке. Проведенный эксперимент показал, что одни из самых трудноуловимых частиц ведут себя так, как и предсказывает теория. Участники проекта OPERA (среди которых были и российские ученые) в итальянской лаборатории Гран-Сассо проверили гипотезу о том, что нейтрино, способные пронзить насквозь земной шар частицы, могут превращаться из одного типа (мюонные нейтрино) в другой (тау-нейтрино).
То, что один тип частиц может превращаться в другой, само по себе, конечно, не новость. Более того, не является новостью что один вид нейтрино (эти частицы бывают трех типов) превращается в другой. Новизна состоит в том, что мюонные нейтрино могут стать тау-нейтрино. Именно такого превращения вплоть до недавнего времени не наблюдал никто, и если бы было доказано, что оно не происходит— это указало бы на существенный пробел в знаниях физиков о природе.
Пробела не обнаружилось. Предсказанные превращения нейтрино действительно были обнаружены в сложном эксперименте, в ходе которого пучок частиц пронзил семьсот километров скальных пород и даже немного «нырнул» в мантию планеты.
Нейтрино как одна из загадок века
Из всех элементарных частиц минимум три должны быть известны любому выпускнику средней школы— это протон, нейтрон и электрон. Именно из них состоят все атомы Вселенной и именно с их открытия началась современная физика, заглянувшая в недоступный вплоть до XX века микромир.
Но несмотря на то, что из протонов, нейтронов и электронов состоят все атомы, объяснить наблюдаемые превращения атомов только при помощи этих трех частиц в 1930-х годах оказалось невозможно. Ученые узнали, что в ядерных реакциях, например, один входящий в ядро нейтрон может внезапно превратится в пару из протона и электрона… и часть массы куда-то при этом непостижимым образом денется.
Куда? Неужели нарушается закон сохранения энергии? В 1930-х годах поверить в нарушение закона сохранения энергии было сложно, так как к этому моменту Эмми Нетер, одна из величайших математиков прошлого века, показала, что законы сохранения есть не просто опытный факт, а следствие фундаментальных свойств пространства-времени. Иными словами, ученые знали, что нарушение сохранения энергии столь же невероятно, как путешествие во времени— и потому физики начали искать другое объяснение ядерных реакций.
Результатом стало открытие нейтрино. Нейтрино— это очень легкая частица, которая практически не взаимодействует с обычным веществом и уносит часть энергии ядерных реакций; нейтрино сначала предложили в качестве гипотезы для объяснения «пропавшей энергии», а потом нашли экспериментально. После чего эта новая частица принесла еще несколько загадок.
Прежде всего, поток нейтрино от Солнца (где протекают термоядерные реакции и потому этих частиц должно образовываться очень много) оказался меньше расчетного. Нейтрино были, но в дефиците— снова получалось, что физики чего-то не знают. Но чего?
Решить эту проблему удалось вместе с целым рядом других проблем, среди которых было и подозрительно большое число всевозможных короткоживущих частиц, наблюдаемых в различных экспериментах. Физики разработали теорию, получившую название Стандартной Модели: в ней «зоопарк» из сотен частиц свелся к очень стройной и логичной системе.
Весь мир вокруг нас (по крайней мере весь известный нам мир) состоит из частиц трех поколений. Каждое поколение – это два кварка (их комбинация дает тяжелые частицы вроде протонов), одна легкая частица вроде электрона, одно нейтрино и… все! Все многообразие материи сводится к этим частицам, а для описания взаимодействий частиц оказалось достаточно трех типов так называемых переносчиков взаимодействия или квантов поля.
Так происходит превращение нейтрона (снизу) в протон (сверху): один из трех кварков нейтрона, d-кварк («правый») становится u-кварком, испуская при этом W-бозон (волнистая линия), превращающийся в электрон и антинейтрино переносчик слабого взаимодействия. Представленный здесь рисунок является так называемой диаграммой Фейнмана: подобными схемами физики описывают взаимодействие разных частиц друг с другом и их взаимные превращения.
Так происходит превращение нейтрона (снизу) в протон (сверху): один из трех кварков нейтрона, d-кварк («правый») становится u-кварком, испуская при этом W-бозон (волнистая линия), превращающийся в электрон и антинейтрино переносчик слабого взаимодействия. Представленный здесь рисунок является так называемой диаграммой Фейнмана: подобными схемами физики описывают взаимодействие разных частиц друг с другом и их взаимные превращения.
Подвох Единственная сила, которая в этой схеме отсутствует— гравитация, ее описывает общая теория относительности (детище Альберта Эйнштейна). Создание единой теории, которая соединит квантовую механику с общей теорией относительности— одна из главных задач физиков, причем задача, подступиться к которой пытаются с самых разных сторон. В частности, многие ученые рассматривают в качестве потенциальной «теории всего» теорию суперструн, в которой вместо частиц выступают крошечные микроскопические струны.
Момент истины
Среди непрофессионалов бытует мнение, будто физики уже не пытаются проверить теорию относительности или квантовую механику. Более того, часто встречается убеждение, будто ученые боятся опровержения этих теорий— однако нет ничего более далеко от истины, и недавний эксперимент с совместным участием ЦЕРН-а и итальянских лабораторий в Гран-Сассо это подтвердил.
То, что нейтрино одного типа (относящееся к одному поколению частиц) может превращаться в другое, ученые знали давно. Более того, за связанные с нейтрино работы уже не раз присуждались Нобелевские премии – за обнаружение этих частиц, подтверждение существование нейтрино нескольких видов и за применение нейтринных детекторов в астрономических исследованиях.
Две детали Один из выдающихся физиков, в область интересов которого входили нейтрино, в 1950 году переехал в необычном направлении— невзирая на приглашение в университет Ливерпуля, Бруно Максимович Понтекорво покинул родную Италию ради работы в подмосковной Дубне. А американец Клайд Коуэн, один из авторов открытия нейтрино в 1955 году, так и не дожил до Нобелевской премии за свою работу. По неведомым причинам нобелевский комитет решил отметить открытие нейтрино лишь в 1995-ом.
Фактов, говорящих в пользу того, что нейтрино ведут себя так, как им и «положено» по Стандартной модели, было достаточно. Но так как любой не укладывающийся в теорию новый факт способен привести к появлению новых теорий, ученые постоянно проверяют свои представления в новых экспериментах. Да, теория говорит что мюонные нейтрино могут стать тау-нейтрино— но так ли это на самом деле?
Чтобы ответить на этот вопрос, физики в Европейском центре ядерных исследований направили пучок протонов на неподвижную мишень. Возникшие при этом нейтрино направились в сторону подземного итальянского комплекса— по прямой, так как гранит и базальт для них практически не отличались от космического вакуума. И через 2,4 миллисекунды (это меньше, чем требуется монитору компьютера для обновления картинки) их встретили детекторы Гран-Сассо.
Через которые, естественно, подавляющее большинство мюонных нейтрино пролетело без всякого сопротивления и ушло в космос. Но так как ничтожно малая часть их все-таки сталкивалась с ядрами атомов детектора, а ученые терпеливо ждали таких событий— со временем детектор зафиксировал достаточное число событий.
Гран-Сассо Итальянскому комплексу Гран-Сассо недавно была посвящена отдельная статья. Поводом для нее стала публикация данных, из которых следовало то, что от ученых в очередной раз ускользнула таинственная темная материя.
«Событие»— одно из ключевых понятий ядерной физики. В отличие от химиков и технологов, физики не могут выковырять из детектора частицу, положить ее под микроскоп и уверенно сказать, что это именно тау-нейтрино. Все, что они имеют, это электрические импульсы, которые говорят что нечто попало в прибор с такой-то энергией и таким-то импульсом: причем часто бывает так, что частица одного типа может дать практически тот же эффект, что и какая-нибудь другая.
Как их тогда отличают? Можно провести такую аналогию— вы знаете, что у одного вашего соседа есть сын-подросток, а у другого растет дочь и недавно начался ремонт. Если вы слышите один раз громкую музыку, то это еще не характеризует однозначно (если нет возможности понять направление на источник шума) кого-то одного, но если второй день подряд слышна громкая музыка или, напротив, работающая дрель… физики поступают почти так же. Их теории предсказывают то, как должны себя вести частицы при длительных наблюдениях, а кроме того, в распоряжении ученых есть теория вероятности, позволяющая перевести догадки на язык вероятности.
Научные статьи в итоге публикуют данные примерно такого вида— «с вероятностью 99,9% нами подтверждено то, что детекторы поймали такую-то частицу». И информация, представленная в пресс-релизе группы из Гран-Сассо, не исключение— в своих выводах ученые уверены на 98%. Это значит, что в этот раз найти брешь в Стандартной модели не удалось, а в истории охоты за нейтрино написана еще одна страница.
Последняя? Отнюдь. Перед физиками стоит еще много других задач— например, было бы интересно поймать нейтрино, возникающие при вспышках сверхновых. Нейтрино, которые возникают при катастрофической гибели звезд, интересны в том числе и тем, что именно с их участием возникли все элементы таблицы Менделеева, которые стоят после железа. Золото, серебро, платина и уран возникли благодаря экстремальной плотности нейтринного потока при вспышке сверхновых. Кроме того, уже предлагалось использовать нейтрино для поиска полезных ископаемых (раз эти частицы просвечивают планету насквозь) и даже для связи с подводными лодками.
Подробнее: http://news.mail.ru/society/3903796/
Свежие комментарии