«Частицы-призраки»: почему учёные охотятся за неуловимыми нейтрино

 

Нейтрино на протяжении долгого времени считалось гипотетической частицей — физики так объясняли загадочную пропажу энергии при ядерном распаде. С развитием технических средств нейтрино удалось зарегистрировать, однако до сих пор это одна из самых загадочных частиц Вселенной. Есть гипотеза, согласно которой нейтрино способно принимать одновременно форму материи и антиматерии. Об этом RT рассказал ведущий научный сотрудник отдела лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЯИ РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Буткевич... 

 

— Недавно международная коллаборация NOvA представила свою работу на Международной конференции по нейтринной физике и астрофизике Neutrino 2024. В коллаборацию входят более 200 учёных из разных стран, включая физиков из ИЯИ РАН. Как мы понимаем, цель вашей работы — исследовать нейтрино, фундаментальные частицы, которые почти не взаимодействуют с материей. Расскажите, пожалуйста, о них подробнее. Что такое нейтрино и почему их также называют неуловимыми частицами-призраками?

— Всё началось в 1930-х годах, когда физики ломали голову над проблемой несохранения энергии при радиоактивном распаде ядра — часть энергии куда-то исчезала. Это противоречило фундаментальным физическим законам о сохранении массы и энергии. В конце концов немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули выдвинул гипотезу о существовании очень слабо взаимодействующей с веществом частицы-призрака, которая рождается при радиоактивном распаде ядер атомов. По мысли Паули, такие частицы не регистрируются детекторами, но при этом уносят с собой часть энергии. А термин «нейтрино» предложил уже в 1934 году другой учёный, Энрико Ферми.                                                                      (см. на фото RT)

Они оказались правы: в 1956 году нейтрино действительно удалось зарегистрировать физикам Фредерику Райнесу и Клайду Коуэну. В 1995 году за это открытие Райнесу была присуждена Нобелевская премия.

 

— Как учёным удалось зарегистрировать «невидимую» частицу?

— Во время бета-распада нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. А также есть обратный процесс, когда частица-антинейтрино взаимодействует с протоном, который находится в детекторе. В результате рождаются позитрон — положительно заряженный электрон — и нейтрон. В природе есть всего четыре вида взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое взаимодействие и гравитационное. Нейтрино участвует только в слабом взаимодействии. Частица проникает в глубь детектора незамеченной и там взаимодействует с веществом (сцинтиллятор, вода) детектора, что приводит к рождению заряженных частиц. Заряженные частицы при прохождении в детекторе излучают свет, который регистрируется фотоприёмниками. Это позволяет нам зафиксировать взаимодействие нейтрино в детекторе.

 

— С какими сложностями учёные сталкиваются при изучении нейтрино? Почему нейтринные телескопы располагают глубоко под землёй или водой, как Байкальский подводный нейтринный телескоп?

— Кроме высокого риска статистических ошибок, работу сильно осложняет тот факт, что в земной атмосфере постоянно рождаются электроны, гамма-кванты, мюоны и нейтрино. Поэтому, если мы хотим регистрировать поток нейтрино, идущий из атмосферы и космоса, нам нужно как-то отсечь этот фон. Если мы установим такой телескоп просто на поверхности Земли, то мы будем регистрировать в основном фон и очень редко нейтрино. Поэтому выход один — размещать детекторы там, где этот шум практически отсутствует, — под землёй или под водой. Однако проблема всё равно до конца не решается таким образом, потому что вода и грунт тоже являются источниками продуктов радиоактивного распада ядер. Поэтому нейтринные исследования — сложная, но интересная область физики.

 

— Исследование, проделанное NOvA, во многом посвящено осцилляции нейтрино. Расскажите, пожалуйста, что это.

— Осцилляции элементарных частиц — это их способность менять свой тип со временем. Нейтрино делятся на три типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино, эти формы могут переходить друг в друга. Раньше считалось, что у нейтрино нет массы, однако, когда были открыты осцилляции этих частиц, это представление было опровергнуто. Именно наблюдения за процессом осцилляции способны дать ответ на вопрос о физике нейтрино.

Огромный вклад в теорию осцилляции нейтрино внёс советско-итальянский физик Бруно Максимович Понтекорво  (см. на фото RT), который с 1950 года работал в Дубне.

В 1957-м он впервые предсказал существование нейтринных осцилляций. Указания на существование нейтринных осцилляций были получены в эксперименте с солнечными нейтрино. Правда, Понтекорво считал, что нейтрино превращаются в антинейтрино. В 1962 году было открыто мюонное нейтрино и группа японских учёных выдвинула гипотезу осцилляций мюонных и электронных нейтрино. Цель любого осцилляционного эксперимента — выяснить, с какой вероятностью нейтрино меняет свой тип.

 

— В вашей работе внимание уделено выявлению иерархии масс нейтрино. О чём в данном случае идёт речь?

— Как я говорил, нам известно, что у разных типов нейтрино разная масса. Но при этом мы даже не знаем пока, как эти массы упорядочены. Есть две гипотезы: согласно первой, есть два лёгких нейтрино — электронное и мюонное — и одно тяжёлое — тау-нейтрино. Согласно второй теории, всё наоборот: электронное и мюонное нейтрино тяжёлые, а тау-нейтрино — лёгкое. В случае когда нейтрино движется в веществе, вероятность осцилляций мюонных нейтрино в электронные будет зависеть и от иерархии масс нейтрино. Если она нормальная, то осцилляции будут усиливаться для нейтрино и ослабляться для антинейтрино, а если она обратная, то наоборот (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна).

А ещё есть такое явление, как нарушение СР-вариантности, то есть нарушение зеркальной симметрии между частицами и античастицами. Это явление повинно в том, что во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия. В теории физические законы не должны меняться при зеркальном отражении в пространстве и замене частицы на античастицу. Однако оказалось, что это не так, а осцилляции очень чувствительны к таким нарушениям. Поэтому при осцилляции мюонных нейтрино в электронные можно проследить иерархию их масс, а также значения фазы нарушения СР-вариантности.

 

— Какую роль эти исследования играют для науки, наших знаний об устройстве Вселенной?

— Дело в том, что, согласно научной гипотезе, нейтрино может быть одновременно и собственной античастицей. Существование таких амбивалентных частиц в природе предсказано, они называются майорановскими фермионами. Но они пока не открыты. Их экспериментальное обнаружение сыграет очень важную роль для науки, в частности для физики высоких энергий. Пока что неясно, нейтрино всё же майорановская или обычная, дираковская частица, которая имеет отдельную античастицу. Это вопрос номер один для физики.

Знание природы нейтрино позволит нам ограничить набор моделей, выходящих за пределы Стандартной модели, определить, какие из гипотез верны. Отмечу, что никто не опровергает Стандартную модель, но есть множество предположений, как именно она должна быть расширена. А какие версии верные — ключ к этому лежит в области исследований нейтрино.

 

— Какими методами нейтрино исследуются в рамках эксперимента NOvA?

— В эксперименте мы создаём при помощи ускорителя мощный пучок нейтрино, его мощность достигает 1 МВт. Ускоритель находится в 60 км от Чикаго, в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, сокращённо Fermilab.

Для регистрации нейтрино используется два подобных детектора. Один находится на расстоянии 810 км от Fermilab и заполнен 14 кт минерального масла, второй расположен рядом с лабораторией и меньше по размерам, его масса 300 т (см. на фото RT).

Чтобы уменьшить систематические ошибки, на этом детекторе измеряют спектр нейтринных событий без осцилляций по энергии нейтрино и сравнивают с расчётным спектром. Определяют поправки к расчёту, а затем вычисляют спектр событий без осцилляций на дальнем детекторе. Из сравнений измеренного и вычисленного без осцилляций спектров событий вычисляют вероятность осцилляций нейтрино.

 

— Есть ли какое-то прикладное значение у этих исследований или речь исключительно о фундаментальной науке?

— Во-первых, фиксируя и анализируя потоки нейтрино, исходящие от атомных реакторов, мы можем отслеживать в режиме реального времени работу атомных энергоблоков.

Также нейтрино могут помочь в исследовании земных недр, поскольку эти частицы проходят Землю насквозь. Для этого будут нужны очень большие детекторы, но это уже технические возможности. Но самое главное, что нейтрино — очень полезный инструмент для исследования космоса. Сейчас даже возникло новое направление — нейтринная астрономия. Нейтрино позволяют нам регистрировать вспышки сверхновых, поскольку при этом рождается огромный поток таких частиц.

 

Материал подготовлен: Надежда Алексеева, Екатерина Кийко - при поддержке пресс-службы Минобрнауки.

 

Опубликовано: RT

 

«Оппенгеймер» — фильм об ученых или о бомбе  

 

    «Оппенгеймер» Кристофера Нолана — биографический фильм о Роберте   Оппенгеймере, физике-теоретике, «отце ядерной бомбы». В центре сюжета —   союз и противостояние Оппенгеймера с государством, трансформация его   личных убеждений и работа научной группы над атомным проектом. Через   судьбу великого ученого режиссёр Нолан проявляет общие вызовы, стоящие   перед исследователями и наукой, как ученые встраиваются в общество и   насколько зависят от него. 

   Образы главных героев в фильмах и сериалах про ученых нередко утрированы:   гениальный исследователь способен за минимальный срок собрать невероятное   устройство или решить сложнейшую задачу, едва взглянув на условие. Чтобы   выдержать эту почти божественную силу, персонаж становится изгоем, фриком или   вовсе сходит с ума — на этом строится конфликт. Для массового зрителя такой образ   науки комфортен, для ученых неактуален. «Оппенгеймер» немного не вписан в привычную картину: главный герой «очеловечен», встроен в общество и невольно меняет его. Таким образом, зритель может увидеть настоящие вызовы и бытовые проблемы, с которыми сталкиваются ученые: взаимоотношения с государством, ответственность за свои исследования и научную группу, этические границы науки.  

В «Оппенгеймере» на первом плане находятся не гениальные физические концепции (которые обычно разбирают на ляпы грамотные кино-обозреватели), а гомеостаз (процессы внутри и вокруг) научного сообщества. Режиссер фильма Кристофер Нолан не прячет главного героя в мире чудес физики за книжной полкой (как было в прошлом его фильме «Интерстеллар»). Роберт Оппенгеймер открыто сам прочтет о себе, пусть и на санскрите: «Теперь я смерть, разрушитель миров». 

 

Ученые и физика

Физики в фильме немного, но научная атмосфера передана неплохо. Есть милые исторические штрихи, например легендарный научный журнал Science в виде обычной газеты или ламповые часы, знакомые физтехам по лабораторным работам. Как и полагается, есть исписанные доски и формула цепной реакции. Мимолетом показаны все звезды тогда еще новой квантовой физики, сейчас уже давно классики: Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Энрико Ферми. Непривычно видеть их реальными людьми, а не названиями физических терминов: уровня Ферми, приближения Борна — Оппенгеймера, принципа неопределенности Гейзенберга. Великий Эйнштейн показан мудрым, но слабеющим стариком, который понимает, что его время ушло и науку двигают молодые: «Роберт, это ваше, а не моё».  

Сцены семинаров и обсуждений проекта показаны мимолетом, акцент делается на личных отношениях ученых. Несмотря на слаженную работу, между молодыми коллегами все же возникают противоречия и интриги, а сцена, где занятый Оппенгеймер игнорирует идеи Теллера — точь-в-точь общение физтеха с научным руководителем: «Тебе некогда обсуждать, ты превратился в политика». Мир физиков живой, полный рисков, сомнений, труда и трат: «Ученые обижены на всех, кто ставит под сомнения их суждения». В то же время показана практичность исследователей: расчеты показали, что на возгорание атмосферы «шансы почти нулевые», значит, эксперимент можно проводить — почти врачебный цинизм. Но если врачи берут на себя ответственность за жизнь одного человека, то ученые готовы тайно поручиться за всю планету, полагая, что она в смертельной опасности.

 

Государство

Самая очевидная линия сюжета — конфликт величайшего теоретика США с госмашиной, которая выведена в этом фильме бездушной, властной и требовательной. Каждый поступок и каждое личное убеждение Оппенгеймера спустя годы превратно трактуются «обвинителем», чуть ли не ставятся в вину. 

Государство сначала выполняет все прихоти физика: строит целый город Лос-Аламос (там до сих пор находится одна из крупнейших лабораторий США с мощными суперкомпьютерами), выделяет миллиарды на Манхэттенский проект. Однако после получения бомбы — одного из величайших достижений человечества — солдаты буднично грузят самое страшное оружие в истории в фургоны, а об ударе по Японии Оппенгеймер узнает из новостей, как обычный американец. 

Тем не менее конфликт чуть сложнее, чем использование ученых страной в обмен на их ум и с обещанием комфорта. Практически на каждом этапе у Оппенгеймера есть выбор: отказаться от друзей-коммунистов, носить военную форму, нарушать секретность, ускорять испытания, протестовать или согласиться с бомбардировкой. Ученый старается не изменить себе и в то же время следовать интересам страны, выполнять приказы. Получается ли у него найти баланс или срабатывает самоубеждение? Где проходят границы его личного выбора и силы обстоятельств? Кажется, Нолан, не скрывая симпатии к Оппи, все-таки оставляет своего Прометея прикованным к скале на растерзание орлу, гениям прощают не всё. 

 

Прометей 

Килиан Мерфи отлично показывает трансформацию Роберта Оппенгеймера как из неуверенного энтузиаста в мировую знаменитость, осознающую и умело использующую свое влияние, так и из «взбалмошного позера» в мученика за убеждения: «Мне важно свободно мыслить, чтобы сделать наш мир лучше, зачем ограничивать себя догматом» и «Я считал себя сложнее, чем есть на самом деле».Карьерный путь ученого был практически идеален — лекции Бора и Гейзенберга, работа у Борна, затем возможность завезти в США диковинную квантовую физику, открыть кафедру, публикации в престижных журналах. Наконец, вершина карьеры — великое изобретение и руководство престижным университетом в Принстоне.

Осталось, казалось, только почивать на лаврах, но большой ученый — больше, чем ученый. Подвергая сомнению физические гипотезы, киношный Оппенгеймер, кажется, честно подвергает сомнению и собственную жизнь, принимая ответственность за бомбу, которую с него любезно предложил снять президент Трумэн. Физик «проталкивает контроль над вооружением» и «использует статус отца атомной бомбы, чтобы влиять на политиков». В этом поступке ученый по-настоящему становится Прометеем, обрекая себя, хоть и не на физические, но муки совести. Герой не теряет имущество, свободу, только признание и влияние, однако и этой жертвы можно было избежать, в очередной раз приняв изменившиеся правила игры и вновь подстроившись под систему.

Прометей дал людям огонь, чтобы они построили цивилизацию. Оппенгеймер дал людям огонь, чтобы они сохранили её. Но оба раза искушение власти оказалось сильнее благих намерений, огонь стал силой, которая подчиняет и уничтожает: «Мир не готов, бомба — не новое оружие, а новый мир. Вы американский Прометей, который дал им возможность уничтожить самих себя, за это вас зауважают». 

 

Бомба

   Атомная бомба стала самым знаковым изобретением новой науки — квантовой   физики. В контексте фильма она сначала мыслилась панацеей, которая «достаточно   большая для конца войны, для конца всех войн», а затем превратилась в главную   угрозу цивилизации. Ученые реагируют по-разному на участие в «высвобождении   великой силы», один из друзей Оппенгеймера Исидор Раби (Нобелевский лауреат 1944   года) с трудом соглашается работать над проектом только после аргумента Роберта:   «Я не знаю, можно ли доверить бомбу нам, но нацистам нельзя». Кто-то, как Эрнест   Лоуренс (Нобелевский лауреат 1939 года), увлекается работой. Для физиков бомба — в   первую очередь открытие, эксперимент, подтверждающий правоту теории. Их   многолетний тяжелый труд оказывается не напрасным и, по словам военных,   позволяет закончить войну. Вопрос о применении ядерного оружия возникает   мимолетом лишь после смерти Гитлера, но Роберт Оппенгеймер одергивает сначала   бывших коллег, а затем молодежь, от политического и этического активизма: «Мы создали бомбу, но не нам решать, как её применить». 

Все разговоры о бомбе носят нарочито будничный характер, особенно исключение Киото из списка бомбардировки. Нолан сохраняет исторический контекст, но показывает его максимально сухо и поверхностно, лишая зрителя спасительного сострадания и вынуждая публику невольно оценивать события преимущественно из своего опыта и века. Как будто единственная навязанная авторская оценка — замедленная сцена взрыва, когда режиссер «заставляет» зрителя остаться один на один со своими переживаниями и личными контекстами. И если Оппенгеймер в фильме должен решить вопрос о своих убеждениях и муках совести, то вопрос этичности и границах научных экспериментов задается современному обществу, поскольку ученые в фильме решают вопрос всегда положительно, считая, что «это исследовательская работа, а не разработка оружия».

 

Эпилог

«Оппенгеймер» показывает непростой и живой мир ученых и поднимает сложные вопросы об ответственности исследователей, об их зависимости от государственной машины США, об этических границах изобретений. На эти вопросы гипотетически нет простых ответов, но практически ответ всегда «да». «Мое отношение к водородной бомбе сформировалось, когда стало очевидно, что мы используем любое созданное оружие», — отвечает Оппенгеймер во время судилища. 

Переплетение амбиций политиков и жажды открытий ученых запускает цепную реакцию, вовлекая всё новых людей в неотвратимое движение прогресса и разрушая личности. Куда приведет это движение? Выразительными глазами Килиана Мерфи Нолан дает алармистский ответ, но, может, он не прав? 

 

Опубликовано: Илья Бения (см.), журнал МФТИ «За науку» - 27.02.2024