Что учёным известно о нейтрино

Открытие нейтрино произвело переворот в физике. Благодаря этим элементарным частицам, рождающимся в процессе ядерных превращений, удалось объяснить, откуда берется энергия Солнца и сколько ему осталось жить.

Почему Солнце светит

О существовании загадочной элементарной частицы с нулевым зарядом, вылетающей при радиоактивном распаде, физики догадывались с 1930-х годов. Итальянский ученый Энрико Ферми назвал ее маленьким нейтроном — нейтрино. Эта (тогда еще гипотетическая) частица помогла понять природу светимости Солнца.

Согласно расчетам, в минуту каждый квадратный сантиметр поверхности Земли получает от Солнца две калории. Зная расстояние до звезды, несложно было определить светимость: 4*1033 эрг. Откуда она берется — на этот вопрос долгое время не было ответа. Если бы Солнце, состоящее в основном из водорода, просто горело, то не просуществовало бы и десятка тысяч лет. Учитывая, что при сгорании объем уменьшается, Солнце должно было, напротив, нагреваться под действием сил гравитации. В этом случае оно погасло бы примерно за тридцать миллионов лет. А раз его возраст превышает четыре миллиарда лет, значит, в нем есть постоянный источник энергии.

Таким источником при чудовищных температурах внутри звезды может служить реакция синтеза гелия из двух протонов, входящих в ядра водорода. При этом выделяется много тепловой энергии и образуется одна частица нейтрино. Исходя из размеров, Солнце сможет гореть десять миллиардов лет, прежде чем окончательно остынет, превратившись в красного гиганта.

Чтобы убедиться в справедливости этой гипотезы, нужно было зарегистрировать нейтрино, рожденные внутри Солнца. Расчеты показывали: сделать это будет сложно, поскольку частица очень слабо взаимодействует с веществом и обладает удивительной проникающей способностью. Рождаясь, она не реагирует больше ни с чем и за восемь минут достигает Земли. Когда светит солнце, каждый квадратный сантиметр нашей кожи пронизывают около ста миллиардов нейтрино в секунду. Но мы этого не замечаем. Потоки частиц легко проходят сквозь планеты, галактики, звездные скопления. Кстати, реликтовые нейтрино, рожденные в первые секунды Большого взрыва, до сих пор летят во Вселенной.

Ловят на яд, воду и металл

Несмотря на инертность, нейтрино все-таки иногда сталкиваются с атомами вещества. В сутки бывает всего несколько таких событий. Если экранировать детектор от фотонов, космического излучения, естественной радиоактивности, то результат столкновений можно зарегистрировать. Вот почему установки для ловли нейтрино размещают глубоко под землей или в горных тоннелях. 

Первый метод регистрации солнечного нейтрино предложил в 1946 году итальянский физик Бруно Понтекорво, работавший в подмосковной Дубне. Он написал простую реакцию взаимодействия частицы с атомом хлора, в результате чего рождается радиоактивный аргон. Установку этого типа построили в подземной лаборатории Хоумстейк в США, там же в 1970 году впервые зарегистрировали солнечные нейтрино. В 2002-м получившему эти результаты физику Реймонду Дейвису присудили Нобелевскую премию.

Вадим Кузьмин из Института ядерных исследований РАН изобрел способ фиксировать прохождение нейтрино сквозь раствор галлия. В результате столкновения частиц с атомами этого элемента образуется радиоактивный германий. С 1986 года основанный на этом принципе детектор действует в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) в рамках совместного в США эксперимента SAGE.

Годом раньше к наблюдениям за нейтрино приступили на установке Kamiokande в Японии, где детектором служила вода, светившаяся голубым цветом, когда рождались электроны. Это так называемое черенковское излучение.

Солнечное нейтрино теряют и находят

Когда ученые из разных стран накопили данные по числу реакций нейтрино с веществом, выяснилось, что их в два-три раза меньше, чем предполагает теория. Возникла проблема дефицита нейтрино. Для ее решения предлагали снизить температуру Солнца и вообще изменить о нем представления. На поиск ответа ушло три десятилетия, и вместо того, чтобы придумать новую модель нашей звезды, физики создали новую теорию нейтрино.

Оказалось, что по пути от звезды на Землю частицы способны перевоплощаться в разные свои модификации. Это явление назвали осцилляцией нейтрино. В 2015 году за его подтверждение вручили Нобелевскую премию, причем решающую роль сыграли эксперименты в Баксанской нейтринной обсерватории. Сейчас там планируют построить универсальный детектор, регистрирующий все типы нейтрино и антинейтрино от всех источников: Солнца, центра Галактики, из ядра Земли.

Если изначально физики изучали нейтрино, чтобы лучше понять Солнце и происходящий в нем термоядерный синтез, то теперь эта фундаментальная частица заинтересовала ученых сама по себе. Известно, что масса нейтрино очень мала, но точно ее пока не вычислили. А это важно, чтобы понять природу скрытой массы Вселенной. Подозревают также существование стерильного нейтрино, взаимодействующего с веществом только посредством гравитации. Астрономы возлагают на нейтринную физику большие надежды, поскольку она позволяет заглянуть в недра звезд и черных дыр, узнать о зарождении космоса. Тайны нейтрино продолжают постигать во многих обсерваториях мира, в том числе размещенных в водах Байкала и на леднике Антарктиды.