О значении для мира науки обнаружения нейтринных осцилляций и о возможном практическом применении этого открытия рассказал один из участников исследований, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.
Российским физикам вместе с учеными из других стран удалось в 2013 году в ходе эксперимента Т2К подтвердить уникальное открытие — превращение одного сорта элементарных частиц нейтрино в другой (нейтринные осцилляции). Это открытие может привести к пересмотру понимания устройства Вселенной. О значении данного открытия для мира науки и о его возможном практическом применении РИА Новости рассказал один из участников исследований, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.
— Мир физики элементарных частиц сложен для понимания, поэтому давайте начнем нашу беседу с некоторого ликбеза — рассказа о том, как все устроено.
— Мы живем в макромире, это мир больших расстояний и предметов. А современная физика высоких энергий имеет дело с микромиром, с масштабами меньше атома, с расстояниями менее 10-13 см. Эти масштабы трудно себе представить. Мы работаем, например, с протонами, обладающими массой около 1 Гигаэлектронвольт (ГЭВ), что соответствуют 10-24 г – это трудно перевести на обычный язык. Но протон это еще большая частица, которая состоит из более мелких частиц — трех кварков. Из кварков также состоит значительная часть и других элементарных частиц. Эти мелкие частицы в свою очередь обмениваются между собой еще более мелкими частицами – глюонами. Три кварка не могу вылететь из протона, т.е. не могут находиться в свободном состоянии, и скрепляются сильным взаимодействием, переносчиком которого являются глюоны. Следующее взаимодействие — электромагнитное, мы все его хорошо знаем — это электромагнитные волны, свет, оно осуществляется за счет обмена элементарными частицами — фотонами. Третий тип взаимодействия, с которым имеет дело физика микромира, так называемое слабое взаимодействие, в них участвует нейтрино. Нейтрино, нейтральная фундаментальная частица, которая участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Слабое взаимодействие называется так, потому что сила его на несколько порядков меньше, чем у других, и обмен между частицами осуществляется с помощью заряженных бозонов W+ и W- и нейтрального бозона Z0, которые были открыты в 1980-е годы. Все взаимодействия нейтрино и любые слабые процессы, в которых участвует нейтрино, происходят за счет обмена этими тяжелыми частицами, масса которых около 80 ГЭВ, то есть они тяжелее протона в 80 раз.
Слабое взаимодействие частиц интересно тем, что в нем были обнаружены нарушения инвариантности, то есть нарушения независимости (неизменности) физических законов при переходе из нашего мира в зеркальный мир (изменение направления пространственных координат), при изменении направления времени и при замене частиц на античастицы. Другие взаимодействия (сильное, электромагнитное) демонстрируют постоянство физических законов при этих преобразованиях. Процессы, идущие через сильное взаимодействие, ведут себя одинаково и в нашем мире, и в зеркальном мире. Если мы хотим повернуть время, в реальности это трудно представить. Однако в эксперименте полная имитация этого возможна. При этом сильное и электромагнитное взаимодействия будут вести себя одинаково, а процессы с участием слабого взаимодействия будут отличаться. Это уникальная особенность слабого взаимодействия и связана она как раз с нейтрино. Впервые нарушение пространственной четности в слабом взаимодействии наблюдалось в 1956 году в эксперименте по изучению бета-распада поляризованного ядра кобальта-60. С этого фундаментального открытия, кстати, и началась, по моему мнению, современная физика элементарных частиц.
— Каковы особенности нейтрино, что необходимо ученым для изучения столь малых частиц?
— Нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом (нуклоны, электроны, ядра), т.е. вероятность взаимодействия нейтрино, которое налетает на ядро, нуклон, чрезвычайно мала из-за того, что этот процесс идет только через слабое взаимодействие. Таким образом, для регистрации нейтрино необходимы огромные массивные детекторы. Лучше всего помещать такие детекторы под землю, чтобы улучшить фоновые условия эксперимента и отсечь лишние частицы, которые "мешают" регистрации нейтрино. В этом направлении начала развиваться нейтринная физика и ее важнейшая часть, так называемая подземная физика. По этому принципу у нас в стране была в свое время построена Баксанская нейтринная обсерватория, где российские ученые совершили ряд важных открытий в нейтринной физике. Постепенно фронт нейтринных исследований расширялся, и сформировалась "нейтринная индустрия" — большое количество разных экспериментов по всему миру, изучающих свойства нейтрино.
— Открытие осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино уникально. Японцы уже назвали его высокопрофессиональным, высочайшим (Uchiage Hanabi) достижением в фундаментальной физике. Как это открытие соотносится со Стандартной моделью взаимодействия элементарных частиц – фундаментальной основой современной физики?
— Стандартная модель, которая практически описывает все явления физики элементарных частиц, за исключением некоторых, твердо постулирует, что масса нейтрино — нулевая. Так вот, наше открытие еще раз однозначно подтверждает, что у нейтрино есть масса и она не нулевая. Второй факт, который Стандартная модель не описывает, — барионная асимметрия Вселенной, которая также весьма вероятно связана с массами нейтрино. И третий факт, не находящий объяснения в рамках Стандартной модели, — это наличие темной материи во Вселенной. Как мы знаем, вся масса Вселенной стоит из 4% барионов, примерно из 23% темной материи и 73% темной энергии — еще более непонятной субстанции. Выдающийся отечественный ученый Бруно Понтекорво, 100 лет со дня рождения которого исполняется в этом году, выдвинул гипотезу об осцилляциях нейтрино. Он предположил, что во время своего распространения в пространстве нейтрино могут переходить из одного типа в другой. К примеру, допустим, что из какого-то источника вылетает электронное нейтрино, пролетает некоторое расстояние, переходит в мюонное нейтрино, затем летит дальше и переходит вновь в электронный тип и так далее. Период превращения одного типа нейтрино в другой связан с энергией нейтрино и разницей квадратов масс. То есть должно выполняться условие, что хотя бы одна масса должна быть ненулевой. Эта очень красивая гипотеза была затем экспериментально подтверждена.
Ученые подтвердили открытие, расширяющее понимание Стандартной модели— Что означает ваше открытие — обнаружение нейтринных осцилляций?
— Обнаружение нейтринных осцилляций означает, что нейтрино имеют малую ненулевую массу, смешиваются и типы нейтрино (лептонные числа) не сохраняются. Это действительно грандиозный результат, и получен он был в 1998 году. Прямые измерения массы нейтрино в бета-распаде трития (эксперимент проводится в Институте ядерных исследований РАН) показывают, что масса нейтрино должна быть меньше двух электронвольт. В течение 15 лет после открытия осцилляций все эксперименты по изучению осцилляций были "экспериментами на исчезновение" – то есть нейтрино исчезало, и детектор, расположенный на каком-то расстоянии от источника, регистрировал "дефицит" нейтрино по сравнению с ожидаемым числом в отсутствие осцилляций. В нашем эксперименте Т2К (Tokai-to-Kamioka, Япония) были однозначно зарегистрированы переходы мюонных нейтрино в электронные нейтрино, т.е. в дальнем детекторе СуперКамиоканде, расположенном на расстоянии 295 км от источника чистого пучка мюонных нейтрино, были зарегистрированы электронные нейтрино, появившиеся в течение "путешествия" мюонных нейтрино от источника к детектору. Этот фундаментальный результат полностью изменяет "ландшафт" нейтринной физики и открывает нам путь к поиску нарушения комбинированной четности или СР-симметрии. Символ C означает зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в её античастицу, а P — это пространственная чётность, которая создает зеркальное изображение физической системы. Идея CP-симметрии была предложена нобелевским лауреатом физиком Львом Ландау в 50-е годы, а в 1964 году было экспериментально обнаружено, что СР-симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, и это открытие также было удостоено Нобелевской премии. Наше открытие позволяет проводить эксперименты с пучками мюонных нейтрино и антинейтрино. В них измерение вероятностей осцилляций мюонных нейтрино в электронные и осцилляций мюонных антинейрино в электронные антинейтрино и их сравнение является чувствительным тестом нарушения СР-симметрии у нейтрино. Другими словами, тестом нарушения СР-симметрии в лептонном секторе Стандартной модели.
— И какое понимание нам дает это открытие?
— Обнаружение такого эффекта может быть ключом к разгадке одной из тайн природы: почему мы живем в мире, а не в антимире, почему есть материя, но нет антиматерии? Сейчас все ученые, занимающиеся нейтринной физикой, находятся в состоянии легкой эйфории, ожидая исключительно интересные результаты в ближайшем будущем и видя колоссальные перспективы в этой области физики элементарных частиц.
— Теоретически можно предположить, что СМ будет расширяться.
— Безусловно, СМ будет расширена, сейчас над этим работает целый ряд физиков-теоретиков в разных странах мира. Ведь существенная и наиболее интересная задача современной физики состоит в поиске новых явлений за пределами СМ. Пока можно констатировать, что за исключением трех вышеупомянутых явлений, других экспериментальных указаний на новую физику не получено и, в частности, в экспериментах на LHC в ЦЕРН не обнаружено указаний на существование суперсимметричных частиц.
Бозон Хиггса - недостающее звено Стандартной модели— Что дальше? На изучении чего сосредоточите свои усилия?
— Мы будем двигаться дальше в изучении элементарных частиц. В нейтринной физике это может быть нейтринная фабрика, новые гигантские детекторы нейтрино, но стоимость этих проектов огромная. А в кварковом секторе – это новый ускоритель — линейный коллайдер, который невозможно построить усилиями одной страны. Если изучение бозона Хиггса, которое сейчас идет в ЦЕРНе, не даст никаких указаний на нестандартные явления, то для новых проектов потребуются принципиально новые идеи и подходы.
— Можно ли предположить, что человечество подошло к пределу получения информации о мире элементарных частиц?
— Это вопрос, который нас серьезно беспокоит. Если говорить откровенно, то таких ярких научных результатов, как в нашем случае, не стоит ожидать часто, к тому же для их достижения нужно прилагать колоссальные усилия. Сейчас для серьезного эксперимента необходима коллаборация ученых из многих стран мира. Серьезные научные проекты требуют огромного финансирования, и уже понятно, что по некоторым направлениям мы подходим к некоему пределу.
— Фундаментальную науку зачастую обвиняют в том, что ни к каким практическим результатам ее достижения не приводят. Оставим правоту обвинений на совести тех, кто так утверждает. Но все-таки интересно, в случае с нейтринной осцилляцией какими могут быть практические результаты открытия?
— Изучение солнечных нейтрино позволяет нам понять физические процессы внутри Солнца и определить его время жизни. Мы знаем, сколько миллиардов лет осталось жить всему человечеству. Но это немножко абстрактно, а если говорить о реальных вещах, то те детекторы, что регистрируют осцилляции нейтрино, регистрируют и так называемые гео-нейтрино, которые рождаются в результате распада радиоактивных изотопов в коре и мантии Земли. Формируется новая наука — нейтринная геофизика, которая занимается получением информации о естественном ядерном реакторе в ядре Земли. А это значит, что мы, вероятно, найдем новые подходы для понимания механизма того, что происходит, к примеру, с извержением вулканов, образованием магмы. Может быть, это некий путь и к дальнейшим прогнозированиям землетрясений. Следует также отметить, что начинается процесс использования нейтринных детекторов в практических целях. Нейтринные детекторы полезны в плане контроля за нераспространением ядерного оружия, поскольку позволяют в любой стране обнаружить работы с делящимися материалами, которые проводятся в любом месте и на любой глубине. Нейтрино пролетает сквозь земную кору, не взаимодействуя с ней, и в определенных участках планеты можно поставить детекторы, которые позволят проводить полный мониторинг АЭС, процесса обогащения урана и работы центрифуг, в общем, всего ядерного-топливного цикла в любой стране. Сейчас программа создания таких детекторов поддерживается МАГАТЭ.
Источник
| © Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory |
Российским физикам вместе с учеными из других стран удалось в 2013 году в ходе эксперимента Т2К подтвердить уникальное открытие — превращение одного сорта элементарных частиц нейтрино в другой (нейтринные осцилляции). Это открытие может привести к пересмотру понимания устройства Вселенной. О значении данного открытия для мира науки и о его возможном практическом применении РИА Новости рассказал один из участников исследований, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.
— Мир физики элементарных частиц сложен для понимания, поэтому давайте начнем нашу беседу с некоторого ликбеза — рассказа о том, как все устроено.
— Мы живем в макромире, это мир больших расстояний и предметов. А современная физика высоких энергий имеет дело с микромиром, с масштабами меньше атома, с расстояниями менее 10-13 см. Эти масштабы трудно себе представить. Мы работаем, например, с протонами, обладающими массой около 1 Гигаэлектронвольт (ГЭВ), что соответствуют 10-24 г – это трудно перевести на обычный язык. Но протон это еще большая частица, которая состоит из более мелких частиц — трех кварков. Из кварков также состоит значительная часть и других элементарных частиц. Эти мелкие частицы в свою очередь обмениваются между собой еще более мелкими частицами – глюонами. Три кварка не могу вылететь из протона, т.е. не могут находиться в свободном состоянии, и скрепляются сильным взаимодействием, переносчиком которого являются глюоны. Следующее взаимодействие — электромагнитное, мы все его хорошо знаем — это электромагнитные волны, свет, оно осуществляется за счет обмена элементарными частицами — фотонами. Третий тип взаимодействия, с которым имеет дело физика микромира, так называемое слабое взаимодействие, в них участвует нейтрино. Нейтрино, нейтральная фундаментальная частица, которая участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Слабое взаимодействие называется так, потому что сила его на несколько порядков меньше, чем у других, и обмен между частицами осуществляется с помощью заряженных бозонов W+ и W- и нейтрального бозона Z0, которые были открыты в 1980-е годы. Все взаимодействия нейтрино и любые слабые процессы, в которых участвует нейтрино, происходят за счет обмена этими тяжелыми частицами, масса которых около 80 ГЭВ, то есть они тяжелее протона в 80 раз.
Слабое взаимодействие частиц интересно тем, что в нем были обнаружены нарушения инвариантности, то есть нарушения независимости (неизменности) физических законов при переходе из нашего мира в зеркальный мир (изменение направления пространственных координат), при изменении направления времени и при замене частиц на античастицы. Другие взаимодействия (сильное, электромагнитное) демонстрируют постоянство физических законов при этих преобразованиях. Процессы, идущие через сильное взаимодействие, ведут себя одинаково и в нашем мире, и в зеркальном мире. Если мы хотим повернуть время, в реальности это трудно представить. Однако в эксперименте полная имитация этого возможна. При этом сильное и электромагнитное взаимодействия будут вести себя одинаково, а процессы с участием слабого взаимодействия будут отличаться. Это уникальная особенность слабого взаимодействия и связана она как раз с нейтрино. Впервые нарушение пространственной четности в слабом взаимодействии наблюдалось в 1956 году в эксперименте по изучению бета-распада поляризованного ядра кобальта-60. С этого фундаментального открытия, кстати, и началась, по моему мнению, современная физика элементарных частиц.
— Каковы особенности нейтрино, что необходимо ученым для изучения столь малых частиц?
— Нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом (нуклоны, электроны, ядра), т.е. вероятность взаимодействия нейтрино, которое налетает на ядро, нуклон, чрезвычайно мала из-за того, что этот процесс идет только через слабое взаимодействие. Таким образом, для регистрации нейтрино необходимы огромные массивные детекторы. Лучше всего помещать такие детекторы под землю, чтобы улучшить фоновые условия эксперимента и отсечь лишние частицы, которые "мешают" регистрации нейтрино. В этом направлении начала развиваться нейтринная физика и ее важнейшая часть, так называемая подземная физика. По этому принципу у нас в стране была в свое время построена Баксанская нейтринная обсерватория, где российские ученые совершили ряд важных открытий в нейтринной физике. Постепенно фронт нейтринных исследований расширялся, и сформировалась "нейтринная индустрия" — большое количество разных экспериментов по всему миру, изучающих свойства нейтрино.
— Открытие осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино уникально. Японцы уже назвали его высокопрофессиональным, высочайшим (Uchiage Hanabi) достижением в фундаментальной физике. Как это открытие соотносится со Стандартной моделью взаимодействия элементарных частиц – фундаментальной основой современной физики?
— Стандартная модель, которая практически описывает все явления физики элементарных частиц, за исключением некоторых, твердо постулирует, что масса нейтрино — нулевая. Так вот, наше открытие еще раз однозначно подтверждает, что у нейтрино есть масса и она не нулевая. Второй факт, который Стандартная модель не описывает, — барионная асимметрия Вселенной, которая также весьма вероятно связана с массами нейтрино. И третий факт, не находящий объяснения в рамках Стандартной модели, — это наличие темной материи во Вселенной. Как мы знаем, вся масса Вселенной стоит из 4% барионов, примерно из 23% темной материи и 73% темной энергии — еще более непонятной субстанции. Выдающийся отечественный ученый Бруно Понтекорво, 100 лет со дня рождения которого исполняется в этом году, выдвинул гипотезу об осцилляциях нейтрино. Он предположил, что во время своего распространения в пространстве нейтрино могут переходить из одного типа в другой. К примеру, допустим, что из какого-то источника вылетает электронное нейтрино, пролетает некоторое расстояние, переходит в мюонное нейтрино, затем летит дальше и переходит вновь в электронный тип и так далее. Период превращения одного типа нейтрино в другой связан с энергией нейтрино и разницей квадратов масс. То есть должно выполняться условие, что хотя бы одна масса должна быть ненулевой. Эта очень красивая гипотеза была затем экспериментально подтверждена.
| © Фото: предоставлено президиумом СО РАН |
Ученые подтвердили открытие, расширяющее понимание Стандартной модели— Что означает ваше открытие — обнаружение нейтринных осцилляций?
— Обнаружение нейтринных осцилляций означает, что нейтрино имеют малую ненулевую массу, смешиваются и типы нейтрино (лептонные числа) не сохраняются. Это действительно грандиозный результат, и получен он был в 1998 году. Прямые измерения массы нейтрино в бета-распаде трития (эксперимент проводится в Институте ядерных исследований РАН) показывают, что масса нейтрино должна быть меньше двух электронвольт. В течение 15 лет после открытия осцилляций все эксперименты по изучению осцилляций были "экспериментами на исчезновение" – то есть нейтрино исчезало, и детектор, расположенный на каком-то расстоянии от источника, регистрировал "дефицит" нейтрино по сравнению с ожидаемым числом в отсутствие осцилляций. В нашем эксперименте Т2К (Tokai-to-Kamioka, Япония) были однозначно зарегистрированы переходы мюонных нейтрино в электронные нейтрино, т.е. в дальнем детекторе СуперКамиоканде, расположенном на расстоянии 295 км от источника чистого пучка мюонных нейтрино, были зарегистрированы электронные нейтрино, появившиеся в течение "путешествия" мюонных нейтрино от источника к детектору. Этот фундаментальный результат полностью изменяет "ландшафт" нейтринной физики и открывает нам путь к поиску нарушения комбинированной четности или СР-симметрии. Символ C означает зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в её античастицу, а P — это пространственная чётность, которая создает зеркальное изображение физической системы. Идея CP-симметрии была предложена нобелевским лауреатом физиком Львом Ландау в 50-е годы, а в 1964 году было экспериментально обнаружено, что СР-симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, и это открытие также было удостоено Нобелевской премии. Наше открытие позволяет проводить эксперименты с пучками мюонных нейтрино и антинейтрино. В них измерение вероятностей осцилляций мюонных нейтрино в электронные и осцилляций мюонных антинейрино в электронные антинейтрино и их сравнение является чувствительным тестом нарушения СР-симметрии у нейтрино. Другими словами, тестом нарушения СР-симметрии в лептонном секторе Стандартной модели.
— И какое понимание нам дает это открытие?
— Обнаружение такого эффекта может быть ключом к разгадке одной из тайн природы: почему мы живем в мире, а не в антимире, почему есть материя, но нет антиматерии? Сейчас все ученые, занимающиеся нейтринной физикой, находятся в состоянии легкой эйфории, ожидая исключительно интересные результаты в ближайшем будущем и видя колоссальные перспективы в этой области физики элементарных частиц.
— Теоретически можно предположить, что СМ будет расширяться.
— Безусловно, СМ будет расширена, сейчас над этим работает целый ряд физиков-теоретиков в разных странах мира. Ведь существенная и наиболее интересная задача современной физики состоит в поиске новых явлений за пределами СМ. Пока можно констатировать, что за исключением трех вышеупомянутых явлений, других экспериментальных указаний на новую физику не получено и, в частности, в экспериментах на LHC в ЦЕРН не обнаружено указаний на существование суперсимметричных частиц.
Бозон Хиггса - недостающее звено Стандартной модели— Что дальше? На изучении чего сосредоточите свои усилия?
— Мы будем двигаться дальше в изучении элементарных частиц. В нейтринной физике это может быть нейтринная фабрика, новые гигантские детекторы нейтрино, но стоимость этих проектов огромная. А в кварковом секторе – это новый ускоритель — линейный коллайдер, который невозможно построить усилиями одной страны. Если изучение бозона Хиггса, которое сейчас идет в ЦЕРНе, не даст никаких указаний на нестандартные явления, то для новых проектов потребуются принципиально новые идеи и подходы.
— Можно ли предположить, что человечество подошло к пределу получения информации о мире элементарных частиц?
— Это вопрос, который нас серьезно беспокоит. Если говорить откровенно, то таких ярких научных результатов, как в нашем случае, не стоит ожидать часто, к тому же для их достижения нужно прилагать колоссальные усилия. Сейчас для серьезного эксперимента необходима коллаборация ученых из многих стран мира. Серьезные научные проекты требуют огромного финансирования, и уже понятно, что по некоторым направлениям мы подходим к некоему пределу.
— Фундаментальную науку зачастую обвиняют в том, что ни к каким практическим результатам ее достижения не приводят. Оставим правоту обвинений на совести тех, кто так утверждает. Но все-таки интересно, в случае с нейтринной осцилляцией какими могут быть практические результаты открытия?
— Изучение солнечных нейтрино позволяет нам понять физические процессы внутри Солнца и определить его время жизни. Мы знаем, сколько миллиардов лет осталось жить всему человечеству. Но это немножко абстрактно, а если говорить о реальных вещах, то те детекторы, что регистрируют осцилляции нейтрино, регистрируют и так называемые гео-нейтрино, которые рождаются в результате распада радиоактивных изотопов в коре и мантии Земли. Формируется новая наука — нейтринная геофизика, которая занимается получением информации о естественном ядерном реакторе в ядре Земли. А это значит, что мы, вероятно, найдем новые подходы для понимания механизма того, что происходит, к примеру, с извержением вулканов, образованием магмы. Может быть, это некий путь и к дальнейшим прогнозированиям землетрясений. Следует также отметить, что начинается процесс использования нейтринных детекторов в практических целях. Нейтринные детекторы полезны в плане контроля за нераспространением ядерного оружия, поскольку позволяют в любой стране обнаружить работы с делящимися материалами, которые проводятся в любом месте и на любой глубине. Нейтрино пролетает сквозь земную кору, не взаимодействуя с ней, и в определенных участках планеты можно поставить детекторы, которые позволят проводить полный мониторинг АЭС, процесса обогащения урана и работы центрифуг, в общем, всего ядерного-топливного цикла в любой стране. Сейчас программа создания таких детекторов поддерживается МАГАТЭ.
Источник
0 комментариев:
Комментариев нет.