fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І миттєво отримуй 9 електронних журналів Куншт у подарунок.

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

Як впіймати невловиму частинку?

00:00
00:00
Фізика — 24.06.20
ТЕКСТ: Максим Ціж
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Світ ловив мене, та не спіймав

Розпочинаємо серію статей про рекордсменів! Чим би могли помірятись та в чому позмагатись елементарні частинки? Найважча, найшвидша, найбільша… Наша героїня – нейтрино, – напевно, має найбільше титулів, найпромовистіший з яких – найнагородженіша. 

Справді, деякі з елементарних частинок можуть похвалитися визначним досягненням – за їх відкриття чи дослідження вчені отримали Нобелівську премію. Такими є, наприклад, тау-лептон (1995), останнє покоління кварків (2008) або частинка J/ψ-мезон (читається як «Джей-псі») (1976). З деякою натяжкою є частинки, що «отримали» по дві премії: повсякденний і добре відомий нейтрон (за відкриття в 1935 році і за створення нейтронної спектроскопії та дослідження нейтронної дифракції в 1994 році), а також вінець Стандартної моделі елементарних частинок, бозон Гіґґса (2008За відкриття механізму спонтанного порушення симетрії. Цей механізм описує взаємодію бозона Хіггса зі всіма іншими частинками, 2013За відкриття самого бозона Гіґґса роки). Однак нейтрино легко долає суперників. Чотири Нобелівські премії (1988, 1995, 2002, 2015 роки) присуджені за відкриття, пов’язані із цією частинкою. І це, можливо, не межа. 

 

Нейтрино є найлегшою з частинок, які мають масу, а також частинкою, яку безпосередньо задетектували (виявили) з найбільшою енергією (2,6*10^15 eV, що приблизно в 1000 раз більше, ніж енергія зіткнень протонів на Великому адронному колайдері).1 Це автоматично робить її також найшвидшою серед масивних частинок. 

 

 

Частинки, що приходять до нас із глибокого космосу, можуть мати і більші енергії (як, наприклад, найвідоміша з них, частинка «Oh-my-god», енергія якої вища на пять порядків, ніж в зазначеного тут нейтрино). Однак, ці частинки ніколи не детектуються прямо (за власним черенковським випромінюванням), висновки про такі високі енергії роблять на основі атмосферних ливнів частинок, які вони породжують. Атмосферні ливні частинок – це потік частинок, що народжує високоенергетична частинка із космосу, внаслідок взаємодії (зазвичай) з ядрами атомів газів в земній атмосфері. Ці частинки прилітають з такою енергією, що породжують цілі каскади: вторинні, третинні частинки, від яких вчені часто реєструють лише їхнє черенковське випромінювання. Черенковське випромінювання – випромінювання світла частинками, що рухаються в середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла в цьому середовищі (у цьому випадку йдеться про атмосферу).

 

Зрештою, я б віддав їй звання найбільш загадкової частинки. Адже від моменту її передбачення (в грудні можна буде святкувати 90 років цієї події)2 і до сьогодні вона огорнена загадками і невизначеностями. Її досі не дослідили до кінця, тож нейтрино – постійна причина непозбувної бентеги теоретиків та експериментаторів.

 

Нейтрончик-злодій

 

Як часто буває в науці, нове відкриття народилося з кризи. В 1920-х роках вчені досягли розуміння певних законів у квантовій фізиці. Зокрема стало зрозуміло, що зв’язані станиЗв’язаний стан – це не вільний стан частинки; стан, за якого вона перебуває в полі і взаємодіє з іншою частинкою. (в атомах та їхніх ядрах) мають дискретний спектр. Це означало, що дискретним повинен бути і спектр бета-розпаду ядерБета-розпад ядер – один з видів радіоактивності, випромінення бета-частинок (електронів чи позитронів), який, однак, ще з 1914 року спостерігався як неперервний. Справді, електрони (тобто бета-частинки) в такому розпаді утворювалися з неперервним енергетичним спектром, хоча закони збереження енергії та імпульсу передбачали, що у випадку двочастинкової взаємодії (ядро і бета-частинка) всі електрони повинні мати однакову енергію під час розпаду, тобто їхній спектр повинен бути лінійним.

 

Це означало одне з двох: або вчені геть не розуміють квантову механіку, або вона припускає порушення законів збереження, зокрема енергії та імпульсу. В 1930 році Вольфґанґ Паулі зробив припущення про існування третього учасника процесу – нейтральної частинки, яку неможливо виявити (тож у нейтрино 2020 року своєрідний ювілей). З таким додатковим учасником процес отримував більше ступенів вільностіСтупені вільності – кількість незалежних змінних, які однозначно описують стан фізичної системи., що дозволяло спектру електронів бути неперервним: у кожному розпаді непомітна невідома частинка забирала собі трохи енергії та імпульсу, до того ж щоразу різну кількість. Паулі, справедливо вважаючи таку частинку нейтральною (незарядженою), вирішив назвати її… нейтроном. Що було цілком логічним: сам нейтрон відкрив (тобто запропонував як нову частинку) у 1932 році Джеймс Чедвік, який теж використав цю назву, не знаючи про ідею Паулі, а «нейтрон» – якраз чудова назва для нової нейтральної частинки. Та оскільки власне нейтрони детектувались безпосередньо, і в їхній присутності сумнівів не було, то вони швидко відвоювали собі це ім’я. Назву «нейтрино» частинці прищепив інший знаменитий фізик – італієць Енріко Фермі. З італійської це можна було б перекласти як «маленький нейтрон», «нейтрончик». Фермі працював над своєю теорією бета-розпаду (і водночас моделлю атомного ядра), яка хоч і не одразу, але здобула визнання, і нейтрино чудово підходили до неї. Тож до середини 1930-х років загал прийняв як факт існування цього невловимого злодія, який, однак, врятував для нас закони збереження в мікросвіті.

 

Про нову частинку було відомо небагато. Вже згадана нейтральність, а також те, що вона була ферміоном – мала напівцілий спінСпін – фундаментальна характеристика частинки (наприклад, атомного ядра чи елементарної частинки); є квантовою властивістю частинок і не має аналогів у класичній фізиці, певною мірою аналогічна власному моменту імпульсу частинки. (як і відомі на той час будівельні блоки матерії: електрон, протон, нейтрон). Крім цього, з вигляду того-таки спектру бета-розпаду, а точніше, пологого кінця графіка, було відомо, що нейтрино є безмасовими, аналогічно до фотонів. Від самого свого передбачення, нейтрино почало водити науковців за носа, адже тепер ми знаємо, що насправді це не так. Та найважливішим, напевно, встановленим на той час фактом було те, що нейтрино надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною. Найближчі за цієї властивістю до них є вже згадані нейтрони та високоенергетичні гама-кванти.

Справді, нейтронне випромінювання є дуже проникним, чим людство користується, наприклад, у створенні нейтронних атомних бомб і неруйнівних методів контролю (наприклад, за дефектами в металевих конструкціях). Однак навіть для нейтронів і гама-квантів високої енергії (10–100 МеВ) середній шлях вільного пробігу (відстань, яку в середньому проходить частинка до першого зіткнення) вимірюється в десятках сантиметрів чи метрах.3 Для нейтрино аналогічних енергій середній шлях вільного пробігу в звичайній матерії (наприклад, у свинці чи у воді) становить десятки світлових років!4

 

Вже згадана теорія Фермі передбачала, що нейтрино є учасником радіоактивних процесів, зокрема бета-розпаду, зворотного до нього бета-захоплення, розпаду нейтронів, мюонів та інших реакцій слабкої взаємодії. В комбінації з прозорістю матерії для нейтрино стало зрозуміло, наскільки «густонаселеним» цими частинками є наш світ: нейтрино народжуються в надрах Сонця та інших зір, в надрах Землі (завдяки радіоактивним елементам), в атмосфері нашої планети завдяки космічним променям, в ядерних реакторах, а також у вибухах та залишках наднових, і, не зустрічаючи перешкод перед собою, ці невловимці пронизують і заповнюють весь наш Всесвіт. Втім, впіймати принаймні одне нейтрино виявилось неймовірно складним завданням.

 

У 1942 році китайський фізик Ван Ґанчан запропонував спробувати вловити нейтрино за допомогою реакції, яку можна назвати зворотною до бета-розпаду (бета-захопленням). У цій реакцій нейтрино взаємодіють з протоном, чим перетворюють його у нейтрон із випроміненням позитрона, античастинки до електрона.

До реалізації цієї ідеї людство наблизилось тільки в 1950-х роках, коли почало опановувати ядерну енергетику. Детектування втілила в 1956 році команда експериментаторів під керівництвом Клайда Кована і Фредеріка Рейнеса.5 Вони використали потік нейтрино від ядерного реактора, який досягав трильйонів нейтрино на квадратний сантиметр за секунду, що значно перевищує потік від природних радіоактивних елементів. Мішенню в цьому експерименті слугували протони-ядра водню, що містяться у воді. Довелось набрати два баки води загальною місткістю 200 літрів, а також використати новий винахід того часу – рідкі сцинтилятори, рідини, в яких відбувається випромінення світла, якщо крізь них проходять заряджені частинки або гама-кванти. І справді, позитрони швидко анігілювали з електронами і народжували гама-кванти, які визначалися через сцинтилятор за допомогою фотопомножувачів. Аби уникнути хибних детектувань, вирішили також виявити нейтрони, що утворюються внаслідок реакції. Для цього резервуари огорнули шаром розчиненого хлориду кадмію. Кадмій захоплював нейтрони, новий ізотоп переходив зі збудженого стану в основний, теж з випромінюванням гама-кванта. 

 

Непроста експериментальна установка, еге ж? Фізики загалом відомі своїм почуттям гумору, тож, полюючи на частинки-привиди, дали цьому проєкту назву «Полтерґейст». «Полтерґейст» міг детектувати три нейтрино за годину (згадайте, який потік на нього навалювався). За це відкриття Райнес отримав «половину» Нобелівської премії в 1995 році (Кована не стало в 1974 році). Тільки після цього експерименту вчені дізнались приблизні значення перерізів реакції нейтрино, тобто наскільки активно нейтрино взаємодіють з матерією. До цього в них були лише оцінки зверху: вчені знали, що переріз реакції (величина що характеризує інтеснивність взаємодії) не може бути більшим ніж певне значення, а от нижньої межі цього значення не знали. Однак якщо вам здалось, що зловити нейтрино – купа мороки, то чекайте: ми ще дійдемо до експериментів, які міряють їхні властивості.

 

Аромат 3 в 1

 

Ще до безпосереднього детектування висунули гіпотезу про існування більше ніж одного типу нейтрино. У 1938 році відкрили нову частинку – мюон (то був початок тих славних часів, коли відкриття нових частинок сипались на голови вчених як з рогу достатку). Мюон виявився побратимом електрона в усьому, крім своєї маси, яка була більшою приблизно в 200 разів. А ще мюон дуже швидко (за мірками тих часів) розпадався на той самий електрон і … І ще дещо. Ті самі закони збереження енергії та імпульсу не дозволяли йому просто перетворитись на одну іншу частинку. Другий продукт розпаду було неможливо виявити, але вчені вже були знайомі з такою ситуацією. А коли в 1948 році вдалось виміряти спектр електронів після розпаду, повторилась така сама історія, як і з нейтроном – спектр виявився неперервним. Отже, продуктів реакції розпаду три. Тож мюон розпадався на електрон і два нейтрино.

 

Вже тоді інтуїція підказувала деяким фізикам (наприклад італійсько-радянському Бруно Понтекорво), що це повинні бути різні типи нейтрино, вони повинні чимось відрізнятись. Підтвердження цьому знайшли тільки в 1962 році в дослідах з нейтрино з прискорювачів. Зараз ми вже напевне знаємо, що вся справа в ароматі.6 Ні, фізики не зачарувались кавою, яку деякі з них вживають декалітрами. Ароматом назвали квантове число, що відрізняє електрон і мюон (і третього, найважчого їхнього брата – тау-лептона). Всі три частинки дуже схожі: однаковий заряд, спін, участь в тих самих взаємодіях, однак різна маса. Вчені помітили: якщо трьом (а тепер ми точно знаємо, що їх також три) відповідним видам нейтрино також приписати аромат (електронне, мюонне і тау-лептонне нейтрино), то це квантове число зберігатиметься у всіх реакціях. Принаймні фізики так деякий час думали, поки нейтрино не підсунули їм новий сюрприз. Однак про це – у наступних частинах.

 

У будь-якому разі, електрон, мюон і тау-лептон, а також три відповідні їм нейтрино становлять разом дружню сім’ю лептонів – частинок, що не беруть участі в сильній взаємодії, відповідальній за ядерні сили. Відкриття останнього члена сім’ї чимало читачів, ймовірно, вже застали самі. Тау-лептон експериментально відкрили в 1975 році, а тау-лептонне нейтрино – в 2000. Експеримент DONUTDONUT у цьому випадку – не атрибут американського копа, а скорочення від Direct Observation of NU-Tau. Як жартують фізики, в наукових проєктах існує окрема графа витрат на створення кмітливого акроніму для експеримента чи прилада.7 вже потребував значно більшої концентрації зусиль: один лиш детектор був завдовжки 15 метрів і мав складнезну конструкцію, а самі нейтрино народжувались внаслідок цілого каскаду реакцій, яким передувало прискорення протонів на найпотужнішому прискорювачі того часу – Теватроні. Тау-лептонне нейтрино, або просто тау-нейтрино, стало останньою відкритою частинкою, яку передбачала вже згадана Стандартна модель елементарних частинок, перед славетним бозоном Гіґґса, який експериментально виявили в 2012 році. Як і в інших нейтрино, невловимість є основною рисою характеру цієї частинки. За весь експеримент підтвердили детектування лише дев’яти тау-нейтрино!

 

В наступних частинах поговоримо про дивовижні осциляції нейтрино, детектори нейтрино в Україні та космічні пригоди цих частинок. А поки насолоджуйтесь фактом прошивання вашого тіла мільйонами цих частинок щосекунди (і від цього не врятує жоден карантин!).

ТЕКСТ: Максим Ціж
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Статті
Промо
Проєкт інтелект. Епізод 8: Як приміряти одяг, не заходячи до магазину

Як приміряти одяг, не заходячи до магазину?

Наука
Коли хімія стає зброєю. Уривок з книжки «Вибухова історія людства»

Людство має бойові отруйні речовини і ядерну зброю, вічне джерело енергії, яке водночас може спричинити техногенні катастрофи і радіаційне зараження. Як все це винайшли?

Ідеї
Довіряй, але перевіряй: інтерв’ю з головним редактором журналу «Скептик» Майклом Шермером

У будь-яку мить може з'явитися нова теорія змови. Як зрозуміти, що це омана, і переконати інших довіряти фактам?

Спалах
Світ – велика пробірка: як людям доведеться пристосовуватися до нових мутантів коронавірусу

З’ясовуємо, чим штам вірусу відрізняється від варіанта, як може мутувати коронавірус та як це вплине на розвиток пандемії.

Медицина
Тетрада Фало. Уривок з книжки «Сміх у кінці тунелю»

Лікарям часто доводиться стикатися з труднощами, робити складний вибір і працювати під шаленим тиском. Про свій досвід розповів анестезіолог Іван Черненко у книжці «Сміх у кінці тунелю», яка вийшла у видавництві «Віхола».

Промо
Проєкт інтелект. Епізод 7: Чи може смарт-годинник врятувати життя

Українська компанія Mawi створює смарт-годинники спеціально для вимірювання життєвих показників людини. Про неї сьогодні й поговоримо!