Нобелевскую премию по физике дали с колебаниями

Сегодня в Шведской королевской академии наук были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике. Высшую научную награду получили канадский ученый Артур Макдоналд и японский исследователь Такааки Кадзита за открытие, «которое может полностью изменить наше понимание Вселенной». Они возглавляли разные команды исследователей и обнаружили процесс колебания у частицы нейтрино, что, в свою очередь, доказывает, что нейтрино обладает массой. Как заявили представители Нобелевского комитета, «для физики частиц это одно из исторических открытий».

1 / 2

Как заявили на церемонии представители Нобелевского комитета, канадский и японский ученые награждены за «ключевой вклад» в эксперименты, которые продемонстрировали, что нейтрино могут менять свое состояние путем колебаний. «Эти метаморфозы означают, что нейтрино обладают массой,— объяснили представители комитета.— Открытие изменило наше понимание материи и может полностью изменить наш взгляд на Вселенную».

Существование нейтрино в 1930 году предсказал австрийский физик Вольфганг Паули. К тому времени было известно, что при бета-распаде ядер часть энергии исчезала неизвестно куда,— но это нарушало закон сохранения энергии. В качестве «последнего средства» Паули предположил, что эту часть уносит из ядра нейтральная частица, которая слишком мала для обнаружения. Именно из-за размера Энрико Ферми придумал для нее название «нейтрино», что можно перевести как «очень маленький нейтрон».

Обнаружение нейтрино оказалось крайне сложной задачей: из-за размера ее крайне сложно отделить от других частиц. Сам Паули, сокрушаясь, заявил как-то, что совершил непростительную для ученого вещь — предсказал существование частицы, которую вообще невозможно обнаружить. Однако в 1956 году американские физики Фредерик Рейнес и Клайд Коуэн провели эксперимент при работе на ядерном реакторе в Лос-Аламосе. Бета-распады ядер урана и плутония генерировали мощные потоки разнообразных частиц. Ученые предполагали, что антинейтрино при столкновении с протоном будет порождать позитрон и нейтрон. Для эксперимента использовался контейнер с водным раствором хлорида кадмия — большинство антинейтрино проходили сквозь него, но некоторые все-таки взаимодействовали с ядрами водорода в воде. Возникающие при этом позитроны взаимодействовали с электронами, порождая гамма-кванты. Нейтроны, в свою очередь, поглощались ядрами кадмия, которые испускали гамма-кванты другой частоты. Регистрация гамма-излучения обеих частот обозначала, что нейтрино все-таки существуют. Поняв это, физики первым делом отправили Паули поздравительную телеграмму. Стоит отметить, что за открытие нейтрино Фредерик Рейнес в 1995 году получил Нобелевскую премию (Коуэн к тому времени уже умер).

Но открытие частицы принесло новые вопросы. Как оказалось, часть нейтрино почему-то пропадали во время фиксации. К тому времени ученые предположили, что существуют несколько видов частиц — электронные, мюонные и тау-нейтрино. Исследователи предположили, что нейтрино пропадают, поскольку превращаются в нейтрино других видов. Но подобные превращения — осцилляции — возможны только в том случае, если у нейтрино все-таки есть масса.

Японский физик Такааки Кадзита (родился в 1956 году) возглавляет команду исследователей, работающих на детекторе Super-Kamiokande, который по масштабу не уступает знаменитому Большому адронному коллайдеру. Детектор размещен на глубине 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио. Он представляет собой стальную цистерну высотой 42 м и диаметром 40 м, в которой находится 50 тыс. тонн специально очищенной воды. На стенах резервуара помещены 11 тыс. фотоумножителей — специальных светочувствительных приборов, которые способны уловить даже один квант света. Нейтрино взаимодействует с электронами и ядрами воды и производит заряженную частицу, а фотоумножители наблюдают за светом от движения этих частиц (кстати, этот процесс называется эффектом Вавилова—Черенкова по имени открывших его советских ученых). В 1998 году японские исследователи доказали, что нейтрино обладают массой.

Канадский физик Артур Макдоналд (родился в 1943 году) возглавляет нейтринную обсерваторию Садбери, которую 15 лет совместно строили Канада, США и Великобритания. Она расположена в подземельях выработанного никелевого рудника, на глубине 2 км. В 2001 году ученые обнаружили, что электронные нейтрино, идущие от Солнца, не исчезают по пути к Земле, а действительно в процессе осцилляции превращаются в мюонные и тау-нейтрино. В 2007 году Артур Макдональд и Ёдзи Тоцука были награждены за это открытие медалью Бенджамина Франклина.

«Каждую секунду миллиарды нейтрино проходят через наши тела, но мы до сих пор мало что знаем о них,— заявили ведущие церемонии.— Но открытие массы у частицы — это огромный, фундаментальный шаг вперед. Загадка нейтрино, с которой ученые боролись десятилетиями, раскрыта. В сравнении с теоретическими подсчетами числа нейтрино, до двух третей нейтрино исчезали при измерениях, осуществляемых на Земле. Теперь эти два эксперимента показывают, что нейтрино просто изменяли свои идентификационные характеристики».

Открытие массы у нейтрино означает, что стандартная модель, которой последние десятилетия пользовались физика, в чем-то неверна. «Стандартная модель о глубинных механизмах работы материи была необычайно успешной, выдерживая все экспериментальные вызовы последних двадцати с лишним лет,— говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета.— Тем не менее, поскольку эта модель требует, чтобы у нейтрино не было массы, новые открытия ясно показали, что стандартная модель не может быть полной теорией фундаментальных составляющих элементов Вселенной».

Как утверждают физики, 90% массы Вселенной состоит из так называемой невидимой массы, значительную часть которой занимают именно нейтрино. «Новые открытия в том, что касается самых глубоких секретов нейтрино, как предполагается, изменят наше понимание истории, структуры и будущей судьбы Вселенной»,— заявил Нобелевский комитет.

Напомним, что в понедельник, 5 октября, были объявлены лауреаты Нобелевской премии 2015 года по медицине и физиологии. Половина премии (около $465 тыс.) присуждена Уильяму Кэмпбеллу и Сатоси Омуре за открытия новых методов лечения инфекций, вызываемых аскаридами (глистами). Вторая половина суммы — Ту Юю за ее открытия в области новых методов лечения малярии. Завтра, 7 октября, объявят лауреатов в области химии.

Член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц МФТИ Михаил Данилов в эфире “Ъ FM”: «В настоящий момент таких применений я лично не вижу, но все фундаментальные открытия сначала не ясно, для чего могут потребоваться технологически. Тем не менее, история нас учит, что все важнейшие фундаментальные открытия приводили потом к громадному скачку в технологиях. В свое время Фарадея спросили, а зачем вы занимаетесь такими отвлеченными занятиями, магнетизмом, зачем это нужно, и он ответил, насколько я помню, канцлеру казначейства, что через какое-то время вы будете это обкладывать налогом. И действительно, сейчас за электричество мы все платим». Читайте подробнее

Нобелевская премия-2014

Физиология и медицина — американский микробиолог Джон О`Киф и его норвежские коллеги — супруги Эдвард и Май-Бритт Мозер — за открытие клеток мозга, отвечающих за ориентацию человека в пространстве.

Физика — японские ученые Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура за открытие в начале 1990-х годов синих светодиодов.

Химия — Эрик Бетциг, Уильям Мернер и Штефан Хелль за развитие флуоресцентной микроскопии со сверхразрешением.

Литература — француз Патрик Модиано за «искусство памяти, с которым он обрисовал самые ускользающие стороны человеческой личности и открыл нам жизнь и мир оккупации».

Премия мира — пакистанская правозащитница Малала Юсуфзай и ее индийский коллега Кайлаш Сатьяртхи за борьбу против подавления прав детей и молодых людей и за права всех детей на образование.

Экономика — французский экономист Жан Тироль за исследования методов антимонопольного регулирования на олигополистических рынках.