Поколеба се

Нобеловата награда за физика за 2015 г. ще бъде присъдена на канадеца Артър Макдоналд и японеца Такааки Каджита „за откриването на неутринните трептения, които показват, че неутрино имат маса“. Физиците са били уверени в съществуването на ненулева маса за тази частица през последните няколко десетилетия и решението на Кралската шведска академия на науките най-накрая сложи край на този въпрос.

Исторически погледнато неутрино се появиха във физиката на частиците преди повече от 80 години в търсенето на решения на два проблема в ядрената физика: така наречената азотна катастрофа и описанието на непрекъснатия спектър на електроните при бета разпадане. Първият проблем е свързан с факта, че учените са вярвали, че теорията на Ръдърфорд е правилна, според която атомът е съставен от протони и електрони. По-специално, физиците не са знаели за съществуването на неутрона и са вярвали, че ядрото на азотния атом се състои изключително от протони. Това доведе до факта, че експериментът и теорията дадоха различни стойности на спина на ядрото (неговия общ ъглов момент).

Свързани материали

Неуловими частици

Вторият проблем - непрекъснатият спектър на електроните при бета разпад (този разпад променя заряда на ядрото с един и води до излъчването на електрон или неговата античастица - позитрон) - е свързан с факта, че при експериментите върху бета разпадането енергиите на образуваните електрони се променят непрекъснато, за разлика, например, от дискретен (прекъснат) спектър на алфа частици (ядра на хелий-4).

Два проблема преследваха физиците, тъй като те доведоха до нарушаване на законите за опазване - импулс, ъглов момент и енергия. Някои учени, по-специално датчанинът Нилс Бор, дори предполагат, че е време да се преразгледат енергийните основи на физиката и да се откажат законите за опазване. За щастие не ми се наложи.

Всички бяха успокоени от швейцарския физик Волфганг Паули. През 1930 г. той пише писмо до участниците в конференция в Тюбинген. „Има възможност в ядрата да има електрически неутрални частици, които аз ще нарека„ неутрони “и които имат спин 1/2. Масата на "неутрон" в порядъка на величината трябва да бъде сравнима с масата на електрон и във всеки случай не повече от 0,01 от масата на протон. Тогава непрекъснатият бета-спектър би станал разбираем, ако приемем, че по време на разпадането, заедно с електрона, се излъчва и "неутрон" - по такъв начин, че сумата от енергиите на "неутрона" и електрона остава постоянна, " каза ученият.

"Неутронът" на Паули се оказа не неутрона, открит експериментално през 1932 г. от британеца Джеймс Чадуик, а теоретично предложен от съветския физик Дмитрий Иваненко и германеца Вернер Хайзенберг. Междувременно през 1933 г. Паули говори на конгреса на Солвей в Брюксел, където разказва подробности за идеята си, която „спасява” закона за запазване на енергията.

Неутрино (италианският „малък неутрон“) е кръстен на италианския физик Енрико Ферми, който създава първата количествена теория за бета разпадането. Той описва взаимодействието на четири частици: протон, неутрон, електрон и неутрино. Теорията на Ферми за неутрино не се съдържа в атомно ядро, както смята Паули, но избягва от него заедно с електрон в резултат на бета разпадане.

Ферми смята неутриното за неутрална частица, по-лека от електрон или дори с маса, равна на нула. Неговата теория обаче не може да се пренормира (доведе до разминавания). Едва след въвеждането на нови частици - междинни векторни бозони - и създаването на електрослаба теория, която обединява слаби и електромагнитни взаимодействия, всички свойства на неутрино получават последователна теоретична основа. Оттогава именно неутрино се превърнаха в основните маркери на слабото взаимодействие.

Започвайки с експерименталното откритие на неутрино през 1953-1956 г. от американските физици Фредерик Райнс и Клайд Коен (първият от тях получи Нобелова награда за това през 1995 г., вторият не се справи с това - той почина през 1974 г.), учените бяха притеснен от два въпроса. Първият е дали неутрино имат маса и дали имат античастици. Откритията на MacDonald и Kajita позволиха утвърдителен отговор на този въпрос. Да, неутрино имат маса.

Основният принос за това откритие е направен от работата на MacDonald и Kajiti и екипите, ръководени от тях. Обсерваторията за неутрино в Съдбъри (SNO), управлявана от Артър Макдоналд, е открила колебания на слънчевите неутрино, а японският експеримент Супер-Камиоканде е открил атмосферни неутрино трептения.

Неутрино взаимодейства изключително малко с материята: средният свободен път на такава частица във водата може да достигне около сто светлинни години. За да се открият неутрино, са необходими свръхчувствителни експериментални съоръжения, за да се прекъснат други фонови процеси, които могат да попречат на регистрацията на неутрино.

Канадският детектор в Съдбъри се намира в никелова мина с дълбочина повече от два километра. Прилича на сфера с диаметър 12 метра, която е пълна с хиляда тона тежка вода, заобиколена от седем хиляди тона обикновена вода. Около 9,5 хиляди фотоумножителни тръби са разположени в сферата на разстояние около половин метър, регистрирайки продуктите от взаимодействието на неутрино с деутерий (сред тях - протони, електрони и неутрино).

Детекторът Super-Kamiokande използва пространството на пещера, разположена на 250 километра от KEK (основната японска организация за изследвания във физиката на частиците). Той съдържа резервоар с 50 хиляди тона вода и поставени в него фотоумножители.

Трептенията на неутрино означават взаимно превръщане на един вид от тези частици в други. Като цяло има три вида неутрино (и, вероятно, три вида античастици, съответстващи на тях): електронно неутрино (в историята първият открит тип неутрино), мюонно неутрино и тау неутрино. Заедно с електрона, мюона и таона те образуват шест лептона - клас безструктурни елементарни частици. Адроните също се считат за елементарни частици, но те се състоят от кварки, които поради явлението асимптотична свобода (затвореност) не могат да се наблюдават в свободно състояние.

Проблемът с неутринните трептения възниква от астрофизиката - учените наблюдават несъответствие между броя на електронните неутрино, генерирани от Слънцето, и частиците, достигащи Земята (приблизително две трети от тези частици не достигат до планетата в първоначалното си състояние). Това беше наблюдавано за първи път от американския физик Дейвис Реймънд (той получи Нобелова награда през 2002 г. „за създаването на неутринна астрономия“) в експерименти с тетрахлоретиленова мишена. Учените са наблюдавали дефицита на неутрино няколко пъти и обяснение за това са предложили американецът Линкълн Волфенщайн (през 1976 г.) и съветските физици Станислав Михеев и Алексей Смирнов (през 1986 г.).

Предложеният механизъм се нарича ефект на Михеев-Смирнов-Волфенщайн. Явлението се състои в това, че когато едно неутрино се движи в дадено вещество, околните лептони предизвикват появата на така наречената ефективна маса в частица, което зависи от вида на неутрино и плътността на лептоните в средата. Ако масите на неутрино са равни на нула или съвпадат, тогава такъв процес не трябва да бъде.

В класическата версия на Стандартния модел (SM) - съвременната и най-последователна работеща теория, която описва всички известни взаимодействия на елементарни частици и е получила уверено експериментално потвърждение (завършващо с откриването на Хигс бозона) - неутрино имат нулева маса. През последните десетилетия обаче учените извършиха изчисления, приемайки, че неутринната маса е ненулева - това се постига чрез леко модифициране на SM, без да се нарушава вътрешната му хармония.

Учените са успели да открият фермиони на Weyl, но само под формата на квазичастици. Частиците на физиката бяха открити в експерименти за преминаване на светлина през една от формите на кристали на танталов арсенид (съединение на арсен и тантал). Учените са успели да избират измежду цялото разнообразие от такива кристали (техните оптични свойства зависят от честотата на падащото лъчение) съединения с необходимите физични свойства. Материали с такива квазичастици могат да се използват в компютрите на бъдещето.

В Стандартния модел - съвременната теория на физиката на частиците - безутринно двойно бета разпадане нарушава закона за запазване на (общото) лептоново число. И така, ако при двойно бета разпадане се образуват две частици и античастици (например два електрона (лептоновият заряд е +2) и два електронни антинейтрино (лептоновият заряд е -2)) и законът за запазване на лептонното число е запазена (0 = + 2- 2), тогава само при неутринно двойно бета разпадане, например, могат да се образуват два електрона и законът за запазване на лептонното число е нарушен (0 ≠ + 2).