ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 13.02.21
    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Гра в хованки

    У попередній статті ми вже познайомились з найважливішою властивістю нейтрино – їхньою невловимістю, тобто надслабкою взаємодією цих частинок з матерією, з якої складається наш світ. Нейтрино – вірний супутник радіоактивних розпадів, розпадів нейтронів та інших проявів слабкої взаємодії в природі. Потоки нейтрино виникають в атомних реакторах, під час вибуху атомної бомби, в земній корі від радіоактивних елементів, в атмосфері Землі від зіткнень з космічними частинками, під час вибуху наднових зір. І, звісно, в надрах Сонця!

    Проблема сонячних нейтрино

     

    Після винайдення атомної енергетики та зброї, а потім – створення термоядерної зброї вчені вже не сумнівались в тому, що служить джерелом енергії для нашого світила. Це були термоядерні реакції, під час яких ядра водню – протони – об’єднувались в ядра інших, важчих елементів, виділяючи шалену кількість енергії. Ці реакції відбуваються в ядрі Сонця під величезним тиском та височезною температурою. До відкриття нейтрино дізнатися про їхній перебіг можна було лише опосередковано. Річ у тому, що перетворення водню на гелій (яке і живить наше Сонце) відбувається із залученням цілого ланцюга реакцій, серед яких на певному етапі є й такі, що містять серед своїх продуктів нейтрино (розпад нейтрона, наприклад). Здійснивши всі необхідні обчислення, що базувались на спостережуваній світності Сонця та його теоретичних моделях, вчені отримали приблизний очікуваний потік нейтрино і взялись думати, як їх задетектувати. Звичайними сцинтиляторами з фотопомножувачами, якими спіймали перші нейтрино від реакторів, тут було не впоратися. Адже очікуваний потік був слабший на кілька порядків, хоч все ще дуже великий в абсолютних числах (десятки мільярдів частинок на квадратний сантиметр за секунду). Тому вчені винайшли інший метод детектування – радіохімічний. 

     

    Суть цього методу така: нейтрино, як і в сцинтиляторах, проходячи через матерію, в рідкісних випадках взаємодіяли з протонами, що входять до складу ядер атомів. Однак кожен окремий випадок взаємодії не детектувався, натомість вираховувався інтегральний ефект потоку на хімічний склад мішені. Адже протон в ядрі, перетворившись на нейтрон під дією нейтрино, змінював також і хімічний елемент, до складу якого входив, оскільки змінювався заряд ядра. Так, зокрема, ядро хлору перетворювалось на ядро аргону у сконструйованих за таким принципом нейтринних детекторах. Радіохімічні детектори були просто гігантськими (на кілька сотень тонн) резервуарами з рідиною, що містить хлор. Кілька діб «пополювавши» на сонячні нейтрино, вчені взялися хімічно визначити, скільки хлору перетворилось на аргон, з чого і робили висновок про силу потоку нейтрино. Саме таку схему реалізували американські вчені Рей Дейвіс та Джон Багкалла з колегами в Гоумстейкському експерименті в кінці 1960-х років.

     

    І тут на них чекав черговий сюрприз. Виміряний потік сонячних нейтрино виявився втричі(!) меншим за очікуваний. Це було дуже серйозне розходження. Його не можна було списати на неточність моделі Сонця. Також не було нічого між джерелом і спостерігачем, що могло б поглинути таку кількість випромінювання. Залишався голий факт: дві третини частинок кудись губились по дорозі на Землю. Нейтрино ніби гралось з вченими, як з маленькими дітьми: «Ось я є, а ось – нема. Знайдіть!»

    Осциляції нейтрино

     

    Але одразу після цього відкриття, в 1968 році, виявилось, що вже готове можливе пояснення цієї проблеми. Ще в 1957 році італійський фізик, що працював в Радянському союзі, Бруно Понтекорво, висунув гіпотезу про осциляції (коливання) нейтрино. В той час вона була потрібна для «порятунку» закону збереження лептонного числа. Це було до експериментального відкриття мюонного нейтрино, і Понтекорво припустив, що осциляції відбуваються між нейтрино і антинейтрино (а не між різними видами нейтрино, як виявилось потім), що пояснило б зменшення потоків у перших експериментах з реакторними нейтрино. А незадовго після цього, в 1964 році, фізики відкрили схоже за суттю явище. Йдеться про осциляції інших електро-нейтральних частинок, каонів (k-мезонів). Хоча ці частинки навіть не є елементарними і належать до іншої сім’ї (мезони), та природа явища їхніх осциляцій, тобто коливань між різними підвидами частинок, виявилась цілком схожою.

     

    Отже, про що йдеться? Для початку, згадаємо з попередньої статті вже відомі факти про лептони – частинки що підкоряються лише слабкій (на відміну від кварків) взаємодії. Трьом масивним лептонам – електрону, мюону і тау – відповідають три види нейтрино: електронне, мюонне і тау-нейтрино, що зазвичай супроводжують їх в реакціях, народжуючись і поглинаючись симетрично з народженням чи поглинанням лептона. Так, мюонне нейтрино народиться при розпаді мюона, а електронне антинейтрино – при розпаді нейтрона, при якому народжується також електрон, таким чином зберігаючи відповідно мюонний і електронний «аромат» до і після реакції (антинейтрино, як і інші антилептони, мають від’ємне ароматне число). Вид, тип, сорт нейтрино – це все слова синоніми, що описують цю різницю між нейтрино, і як ви тепер знаєте, вчені також називають цю властивість ароматом (flavour), за аналогією до ароматів кварків. 

     

    Нова гіпотеза ж полягала в тому, що, народившись у взаємодії в чистому ароматному стані, нейтрино починають осцилювати (коливатись) між чистими станами в процесі руху, а до спостерігача долітають у змішаному стані. Чистий стан, змішаний стан, суперпозиція. Вчені люблять надавати звичайним словам нових значень. Тут ці слова мають такий же зміст, як і в інших випадках, коли вони трапляються в квантовій механіці. До прикладу, коли йдеться про кота Шрьодінґера – аналогію, де бідолашна тваринка перебуває в суперпозиції життя і смерті, поки ми не проспостерігаємо за нею, тобто відкриємо коробку. Побачивши кота, ми, як кажуть фізики, переводимо його у чистий стан – стан життя чи смерті. Підкреслимо, що суперпозиція станів і змішаний стан – це не одне і те саме1, і чимало студентів ламаються в своєму розумінні квантової механіки саме на цьому місці. Та конкретно в цьому випадку, змішаний стан нейтрино, який виникає з чистого в процесі руху є спостережно суперпозицією. Це означає, що, роблячи вимірювання на достатній відстані від випромінювача нейтрино, спостерігач з певною ймовірністю буде отримувати різні типи нейтрино. Виміряти потік нейтрино – це як відкрити коробку з котом.

     

    Пояснити це, знову-таки, досить умовно, на рівні класичної механіки можна різною масою чистих ароматних станів нейтрино, що рухаються. Маючи однакову енергію, частинки з різними масами будуть рухатись з різною швидкістю – результат, відомий ще зі шкільної фізики. Важливий висновок з цієї гіпотези полягає в тому, що кожен тип нейтрино має хоч малу, але точно не нульову масу. Механізм осциляції передбачає, що хоча ароматні стани мають різні маси, під час руху вони осцилюють так, що їхня комбінація має постійну масу. Три таких комбінації мас чистих ароматичних станів становлять базис так званих масових станів нейтрино (в яких вони подорожують, якщо хочете – подорожніх станів). Зв’язок між «ароматним» та «масовим» базисом нейтрино описується матрицею Понтекорво-Макі-Нагава-Сакати (так, це одна з найдовших іменних назв математичних об’єктів, які мені траплялися 🙂 ). На визначення точних значень елементів цієї матриці і спрямовані останні експерименти у сфері нейтринної фізики. Зворотно, знаючи точні значення, можна розрахувати амплітуду осциляції залежно від відстані до джерела випромінювання нейтрино та їхньої енергії і знайти, скільки саме і яких нейтрино спостерігач вловить з цього потоку в конкретній точці. Отже, взаємодіючи (народжуючись і поглинаючись) в «ароматних» станах, подорожують ці частинки в «масових». В цьому і полягає суть ефекту осциляції нейтрино.

     

    Незважаючи на чудове пояснення спостережних даних, вчені неоднозначно сприйняли гіпотезу Понтекорво про осциляції нейтрино. Каменем спотикання стала мала, але ненульова маса частинки. По-перше, жоден експеримент не давав змогу знайти її хоча б приблизне значення, обмежувалось лише максимальне можливе. І ці значення були дуже малими. Було зрозуміло, що навіть найважчий вид нейтрино є в сотні тисяч разів легшим, ніж найлегша відома до цього частинка – електрон. Дослідники й досі не дізналися точного значення мас нейтрино, лиш відсунули верхню межу до значень, приблизно в мільйон раз менших, ніж маса електрона. По-друге, в 1970-ті роки сформулювали в кінцевому вигляді теорію, яку ми тепер знаємо як Стандартну модель елементарних частинок. Логічно несуперечлива і струнка, вона об’єднувала в собі опис усіх відомих типів взаємодій, крім гравітаційної (електромагнітна, слабка, сильна). І в ній не було місця для масивних нейтрино. На цю теорію чекав тріумф за тріумфом десятки років: були відкриті одна за одною всі передбачені нею частинки, остання з яких – бозон Гіґґса – в 2012 році. 

     

    Але осциляції нейтрино без варіантів означали наявність в них маси, і її якось треба було втиснути в теорію (а ще було б непогано зрозуміти, чому ця маса така мала). І от в цьому місці гарна нова теорія ламалася2. Механізм Гіґґса – механізм набуття маси частинок через взаємодію з полем Гіґґса – не підходив для нейтрино ще й тому, що всі спостережні нейтрино мали однакову спіральність (про цю властивість і поговоримо далі). 

     

    Як жартують теоретики, якщо факти не збігаються з теорією – то гірше для фактів. Це, звичайно, тільки жарт, але якась частина провини в початковому несприйнятті вченими факту осциляцій нейтрино лежить і на цьому факторі. Звісно, тепер ми не сумніваємось в реальності осциляції нейтрино, як і в тому, що нейтрино є масивними частинками. За експериментальне (довге і марудне) підтвердження цих фактів в 2015 році вченим Такаакі Каїті та Артуру Макдоналду вручили Нобелівську премію з фізики. Теоретики теж постаралися. Вже існують різні теорії, що пояснюють масу нейтрино, передбачають – або ні – існування ще не знайдених нейтрино іншої спіральності. Наприклад, Нейтринна мінімальна стандартна модель3 (коротко νMSM або nuMSM), сформульована в 2005 році Міхаїлом Шапошніковим і Такехіко Асакою, – це розширення Стандартної моделі, що елегантно поєднує в собі пояснення маси нейтрино, яке виникає поза механізмом Гіґґса, існування темної матерії, а також баріонної асиметрії у Всесвіті (причини з якої матерії є більше ніж антиматерії), тож світ врятовано. І хоча значення елементів вже згаданої матриці Понтекорво-Макі-Нагава-Сакати визначені на сьогодні лише приблизно все через ту ж слабкість взаємодії зі звичайною матерією, не сумнівайтесь: це вже не найбільша загадка, пов’язана з нейтрино. О так, тузів в рукаві в цієї частинки ще досить! Тягнемо наступний.

    Експеримент Ґольдгабера

     

    Повернімося у 1958 рік. Американському вченому Морісу Ґольдгаберу (який, до слова, був родом зі Львова) вдається придумати експеримент4, що мав на меті виміряти ще одну дуже важливу характеристику нейтрино – спіральність. Спіральність у світі елементарних частинок – це проекція спіну частинки (якщо умовно – осі її власного обертання) на напрям її поступального руху. Грає роль тільки знак цієї проекції. Частинки з додатною спіральністю називають правими (right-handed), а з від’ємною – лівими (left-handed) (так, це пов’язано з правилами лівої і правої руки, про які ви щось пам’ятаєте зі школи :). Для всіх інших відомих ферміонів спіральність може бути і додатною, і від’ємною. Ба більше, в різних системах відліку вона може бути різною для одної і тої самої частинки – але лише для масивної. А от для нейтрино…

    Щоб поміряти спіральність нейтрино, група Ґольдгабера розробила справді витончену схему. В ній ядро Європію-152, здійснивши електронне захоплення і ставши ядром Самарію-152 з випроміненням антинейтрино, негайно після цього випромінювало ще й фотон, із спіральністю такою ж, як і в щойно випроміненого антинейтрино (це гарантували закони збереження повного кутового моменту в реакції). Вченим вдалося зловити ці фотони, акуратно відсіяти вклад інших і поміряти їхню спіральність. Спіральність антинейтрино, таким чином, вдалось поміряти опосередковано. І так, результат експерименту виявився ще тим сюрпризом. Всі, абсолютно всі антинейтрино мали однакову спіральність – додатну. Це означало – і згодом підтвердилося в інших дослідах, – що всі антинейтрино в природі є «правими» частинками, а всі нейтрино – «лівими». Дуже нетипова ситуація, що раніше не виникала з іншими частинками. Чому саме так, а не навпаки? Чи існували десь в природі «ліві» антинейтрино та «праві» нейтрино? Якою теорією описати цей факт? Це клубок питань, який, якщо сказати правдиво, не розплутаний ще й по сьогодні. На описі цього експерименту завершимо цю частину нашої серії статей. Зазначимо ще тільки, що саме з експерименту Ґольдгабера почалась одна з найважливіший на сьогодні загадок, що стосується нейтрино. З неї і почнемо наступну статтю!

     

    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?