Методические материалы, статьи

Нейтрино открывает свои тайны

Американские экспериментаторы в лаборатории имени Ферми под Чикаго обнаружили тау-нейтрино, последнюю частицу, которой не хватало для завершения таблицы фундаментальных блоков строения материи. Японские физики доказали, что нейтрино имеют массу.

Как мы не раз писали на страницах журнала, в соответствии со Стандартной моделью взаимодействия, все элементарные частицы состоят из шести кварков и шести лептонов. Из кварков состоят те частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях (они связывают протоны и нейтроны в ядра) и слабых, а лептоны — только в слабых. Кварков шесть — u, d, s, c, b, t, последний из них был открыт всего несколько лет назад, кстати, все в той же лаборатории имени Ферми. Имена их — «up«-верхний, «down«-нижний, «strange«-странный, «charme«-очарованный, «bottom«-«beauty«-прелестный, «top«-«truth«-истинный — хорошо известны нашим постоянным читателям. Лептонов тоже шесть — электрон, мюон, тау-лептон, и у каждого из этих трех лептонов — свое нейтрино, которые так и называются — электронное нейтрино, мюонное и тау-лептонное нейтрино. Кроме того, у каждой из перечисленных частиц есть античастица (у электрона, к примеру, это позитрон) — итого 24. Это, так сказать, кирпичики микромира. Есть и переносчики взаимодействий. Хорошо знакомый всем фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия. Промежуточные бозоны — W и Z — переносчики слабого взаимодействия. Восьмерка глюонов — переносчики сильного взаимодействия. Все эти частицы были постоянными гостями на наших страницах и в 80-е, и в 90-е годы. И вот, наконец, заключительный аккорд.

Частицы бывают заряженные и нейтральные. Заряженные частицы в эксперименте обнаружить гораздо легче, потому что когда они летят через вещество, то своим зарядом как бы «сдирают» электроны с атомов этого вещества и оставляют за собой след, похожий на тот (конечно, только по внешнему виду, а не по размеру и физической сущности), что остается за самолетом. По размеру этого следа и другим его параметрам экспериментаторы судят о том, что за частица его оставила. С нейтральными сложнее — они не оставляют за собой следа, и судить об их существовании можно только по следам, которые оставляют за собой заряженные частицы, возникшие от распада нейтральной. С нейтрино — еще сложнее, потому что это самая легкая частица изо всех, и ей просто не на что распадаться. Таким образом, о существовании нейтрино можно судить только одним способом — когда она налетает на ядро и взаимодействует с ним. И тут — третья сложность: все нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, они могут лететь километры и тысячи километров через вещество без взаимодействия. Так что поймать нейтрино считается самой сложной задачей в мире элементарных частиц.

За регистрацию электронных нейтрино, потоки которых приходят к нам от Солнца, Клайд Коуэн и Фредерик Райнес получили Нобелевскую премию по физике (это главная награда в мире физики, которая вручается один раз в год за самое значительно открытие прошедших лет). За открытие мюонного нейтрино Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер тоже получили Нобелевскую премию. С тау-нейтрино все было еще сложнее потому, что тау-лептоны самые тяжелые, и они очень редко рождаются. Американский экспериментатор Мартин Перл из Стэнфорда, также получивший за открытие тау-лептона Нобелевскую премию, всегда подчеркивал: «Открытие тау-нейтрино очень важно и очень увлекательно».

Суть проблемы в том, что по структуре взаимодействия частиц они входят в него парами: если есть электрон, то обязательно должно быть и электронное антинейтрино, если есть мюон, то должно быть антинейтрино мюонное, а тау-лептон появляется только в сопровождении своего антинейтрино. Все эксперименты в течение последних лет двадцати доказывали справедливость Стандартной модели взаимодействия, в ней не хватало лишь последних кирпичиков. Мало кто сомневался в том, что тау-нейтрино существует, но если бы его не удалось отыскать, то рухнуло бы все стройное здание современной теории элементарных частиц. Так что искать стоило.

На поиски пустилась интернациональная экспериментальная группа физиков из США, Японии, Южной Кореи и Греции. Десять лет длилась погоня, и наконец-то она завершилась удачей! Эксперимент назывался DONUT ( по первым буквам слов в английской фразе «Direct Observation of the NU Tau» — прямое наблюдение тау-нейтрино). В 1997 году с помощью ускорителя «Тэватрон» через экспериментальную установку было пропущено колоссальное количество нейтрино. По расчетам теоретиков, среди них должно было быть не менее триллиона (это миллион миллионов) тау-нейтрино. Установка зарегистрировала около шести миллионов событий. Кстати, современная экспериментальная установка — это сложнейшее многоэтажное (длиной 15 метров) и многослойное сооружение. После тщательного анализа всей зарегистрированной на различных частях установки информации (анализ продолжался более трех лет) ученые отобрали тысячу кандидатов на рождение и распад тау-лептона. Кандидатами они называются потому, что на этом этапе анализа нельзя сказать с уверенностью — то или не то. На втором этапе в анализ включаются мощнейшие компьютерные ресурсы, и после многократных гипотез и многоступенчатых проверок было отобрано четыре события, которые несомненно указывают на то, что тау-лептон родился и распался на другие частицы, среди которых есть тау-нейтрино. Все авторитеты и эксперты мира элементарных частиц сходятся в том, что такой грандиозный труд и важнейший результат должны быть вознаграждены Нобелевской премией.

Конечно, на этом открытии наука не кончается, просто пройден ее важный этап — завершено строительство таблицы элементарных частиц и подтверждена существующая модель их взаимодействия.

Нынешний июль вообще выдался невероятно богатым на нейтринные новости. Очень давно уже ничего настолько интересного не происходило в этой отрасли науки. 21 июля объявила о своем результате команда DONUT, а за день до них еще об одной находке сообщили японские физики: они доказали, что нейтрино разного сорта могут превращаться друг в друга.

Это еще одно очень важное явление в физике элементарных частиц, которое называется осцилляциями. До сих пор до конца было не ясно, есть у нейтрино масса или нет. Все эксперименты показывали и показывают, что она очень и очень маленькая. Но есть эта малость или нет — вопрос принципиальный. Нейтрино с нулевой массой никогда не могут превращаться из одного сорта в другой (электронное в мюонное, например), это запрещают законы физики. Если же масса есть, хоть и крошечная, то такие превращения становятся возможными. А это важно вот почему. Уже почти полвека физики пересчитывают количество нейтрино, прилетевших к нам от Солнца. Конечно, пересчитывают они далеко не все, а лишь крошечную толику тех, что взаимодействуют в веществе земных экспериментальных установок. Астрономы, в свою очередь, рассчитывают, сколько нейтрино должно прилететь к нам от Солнца, где они рождаются в термоядерных реакциях. Так вот, экспериментаторы регистрируют в два с лишним раза меньше, чем предсказывают теоретики.

Это расхождение долгие годы служило причиной распрей: теоретики требовали мерить получше, а экспериментаторы — считать потщательней, но результат оставался неизменным. Потом была выдвинута гипотеза осцилляций: на Солнце рождаются электронные нейтрино, а по пути на Землю часть из них превращаются в мюонные, которых не видят установки экспериментаторов, настроенные на электронные нейтрино. Прекрасное объяснение, но для его торжества у нейтрино должна быть масса, чего доказать никому не удавалось.

Японские физики доказали, что осцилляции есть в земном эксперименте. Правда, эксперимент пришлось сделать достаточно внушительный. Называется он К2К. На японском ускорителе КЕК формируется пучок нейтрино и направляется через поверхность Земли на расстояние 250 километров в другой известнейший японский эксперимент — Суперкамиоканде. Последний — это огромнейшая бочка с 250 тысячами тонн воды, которая упрятана под землю и предназначена для ловли нейтрино, приходящих к нам от других звезд. Но этот нейтринный телескоп решили использовать и в земных нуждах.

В целях краткости не будем описывать, сколь сложно прицеливаться пучком невидимых и неуловимых частиц на расстоянии 250 километров, скажем лишь, что японцам удалось это сделать. Не менее важно было доказать, что регистрируются нейтрино от ускорителя, а не с небес. Для этого нейтрино посылались из ускорителя не сплошным потоком, а короткими импульсами. Время регистрации событий точно совпадало со временем посылки пучка плюс, естественно, некоторая добавка, необходимая на то, чтобы пролететь 250 километров от ускорителя до детектора. Эксперимент начался в июне 1999 года. В том же месяце удалось зарегистрировать первое взаимодействие нейтрино (как вы помните, они взаимодействуют с веществом очень слабо, подавляющая часть пролетает бак Суперкамиоканде насквозь, и лишь миллиардная доля взаимодействует с ядром одного из атомов в молекуле воды). До марта 2000 года установка зарегистрировала 17 событий, а расчеты теоретиков ускорителя давали цифру 29. В этом земном эксперименте есть принципиальное отличие от слежения за солнечными нейтрино: теоретики точно знают, сколько нейтрино было пущено из ускорителя, они могут достаточно точно подсчитать, сколько их долетело до Суперкамиоканде и сколько там провзаимодействовало. Конечно, возможны неточности в 5-10 процентов, но никак не разы. А сколько нейтрино долетает от Солнца, неизвестно. Есть лишь расчеты по модели Солнца. Если их мало долетает, то может быть неверна модель? В японском эксперименте все сомнения были устранены.

В общем, в июле нынешнего года нейтрино открыло всему миру еще две свои тайны. Приятно, что наука еще живет и может их открывать. Знайте, что зарегистрировано тау-нейтрино, последний недостающий элемент таблицы элементарных частиц; доказано, что у нейтрино есть масса и нейтрино одного сорта могут превращаться в нейтрино другого сорта; разрешена загадка солнечных нейтрино.

Александр Семенов



См. также:
Что такое социальные игры и есть ли они в клубе Вулкан
Нестандартные ситуации видео-покера и способы их решения
Лудомания: как делать ставки и не болеть ими
Секреты выигрышей в онлайн-казино
Любопытные факты об онлайн-казино,
о которых вы не знали

Amusement with Prizes – что это такое?
Несколько важных критериев при выборе пейнтбольного клуба
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005