НЕЙТРИНО
Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — общее название нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов. В настоящее время известно три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы.
Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, и поэтому имеют колоссальную длину пробега в самых разных веществах. Так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около ста св. лет). Практически все типы звёзд прозрачны для нейтрино. Каждую секунду через площадку на Земле площадью в 1 см² проходит около 6⋅1010 нейтрино, испущенных Солнцем, однако их влияние на вещество практически никак не ощущается; для их регистрации используются крайне высокочувствительные детекторы большой массы, расположенные под землёй для подавления фона от космических лучей.
Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике 2015 года «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу».
Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов XX века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.
С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр энергий альфа-частиц при альфа-распаде.
Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.
Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы (в качестве объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в бета-распаде) выдвинул 4 декабря 1930 г. Вольфганг Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:
- …имея в виду … непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти «обменную статистику» и закон сохранения энергии. Именно, имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½… Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон», таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной.
- Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь; серьёзность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой уважаемый предшественник г-н Дебай, который недавно заявил мне в Брюсселе: «О… об этом лучше не думать вовсе, как о новых налогах».
— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».
Паули назвал предложенную им частицу «нейтрон». Когда Джеймс Чедвик обнаружил гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году, то тоже назвал её нейтроном, в результате этого в физике элементарных частиц, этим термином называли две разные частицы. Энрико Ферми, разработавший теорию бета-распада, ввел термин «нейтрино» в 1934 году, чтобы разрешить путаницу. Слово нейтрино с итальянского переводится как «нейтрончик».
На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.
Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году командой под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса.
Нейтрино — самые загадочные фундаментальные частицы Стандартной модели. В чем их уникальность, зачем тратят столько усилий на их исследования и какие тайны они могут нам открыть? Объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.
Частица из странности
Нейтрино предсказал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, существованием этой частицы он объяснял очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.
Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.
Лишь в конце 1950-х нейтрино удалось наконец зарегистрировать. Представим мысленно еще раз весь процесс: распад ядра на другое ядро и появление электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, создающий такие распады, и есть поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеивается на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе из ниоткуда, вы можете сделать вывод, что это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Это и является основным убедительным средством регистрации нейтрино.
Такие разные
Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.
Есть электроны и соответствующий им тип нейтрино — электронный, и есть аналоги, лептоны второго и третьего поколений: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд –1, а нейтрино — нейтральные частицы. Когда мы говорим, что зарегистрировали мюонное нейтрино, это значит, что оно было зарегистрировано в том процессе, когда появляется мюон; нейтрино электронное — когда появляется электрон; тау-нейтрино — когда появляется тау-лептон.
Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — тау-антинейтрино. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что такие частицы существуют.