Нобелевская премия по физике — 2015

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015 года: Артур Брюс Макдональд (Arthur Bruce McDonald) и Такааки Кадзита (Takaaki Kajita). Фото © Lars Hagberg / Reuters и AFP

Нобелевская премия по физике за 2015 год присуждена Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) — руководителям двух экспериментальных групп, Super-Kamiokande и SNO, изучающих свойства нейтрино — легчайших, загадочных и самых неуловимых среди всех известных элементарных частиц. Их измерения на рубеже веков убедительно доказали, что нейтрино, которых известно три сорта, способны осциллировать — самопроизвольно превращаться на лету друг в друга. Экспериментальная демонстрация этого факта и измерение параметров осцилляций поставили нейтринную физику с головы на ноги и привели к бурному прогрессу в этой области физики.

Действующие лица

У физического «Нобеля» этого года несколько действующих лиц. Во-первых, это объекты исследования — нейтрино, самые легкие и самые загадочные из известных частиц. Нейтрино бывают трех сортов: электронное (ν_e), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), но только эти три сорта не обособлены, а постоянно как бы «перетекают» друг в друга на лету. Нейтрино может родиться в электронной ипостаси, но, пролетев километры и попав в детектор, проявиться там как мюонное или тау. Это и называется «осцилляции нейтрино» — тот физический эффект, за доказательство реальности которого и присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году.
Осциллируют нейтрино вот почему. Нейтрино определенного сорта, например электронное, не имеет фиксированной массы. Оно является суперпозицией нейтринных состояний с определенными, и причем разными, массами: ν₁, ν₂, ν₃. Мюонное нейтрино — это тоже квантовая суперпозиция тех же ν₁, ν₂, и ν₃, но только это уже другая суперпозиция. Рождаться в реакциях с элементарными частицами могут нейтрино определенного сорта, а распространяться в пространстве могут нейтрино определенной массы. Когда рождается чистое электронное нейтрино, три его массовых компонента очень четко синхронизированы друг с другом. Но по мере движения эта балансировка сбивается, и чистое электронное нейтрино приобретает некоторую долю «мюонности». Всё это — чистый квантовый эффект во всей своей красе, демонстрация квантовой механики на километровых масштабах.
Описанная выше разбалансировка может происходить, только если три состояния ν₁, ν₂, и ν₃ имеют разную пространственную периодичность, а значит, разную массу (рис. 1). Поэтому экспериментальное наблюдение осцилляций — это доказательство того, что у нейтрино есть массы и что эти массы разные. Ну а измерение интенсивности осцилляций и их периодичности позволяет извлечь разности масс и параметры смешивания нейтрино. Микроскопическая суть этого явления похожа на смешивание кварков, за которое дали премию 2008 года. Но только в кварках осцилляции происходят на сверхмалых расстояниях и потому ненаблюдаемы, а у нейтрино, из-за их безумно маленьких масс, — на больших, километровых расстояниях.

Рис. 1. Иллюстрация превращения на лету нейтрино мюонного сорта в электронное нейтрино, а затем обратно в мюонное. Рисунок с сайта physicsworld.com

Вторая группа действующих лиц — это Солнце, Земля и ее атмосфера, то есть те места, где нейтрино рождаются. Есть огромный поток нейтрино, вылетающих из центра Солнца, из области протекания реакций термоядерного синтеза. Есть также большой поток нейтрино, рождающихся в атмосфере при бомбардировке Земли космическими лучами. Оба потока хорошо измеряются в нейтринных детекторах, и оба, в конце XX века, сильно расходились с теоретическими предсказаниями. Эти две нейтринных аномалии, солнечная и атмосферная, стали тогда источником постоянной головной боли для физиков.
И наконец, главные актеры — две коллаборации, Super-Kamiokande в Японии и SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде, два коллектива физиков-экспериментаторов, которые впервые безоговорочно доказали реальность нейтринных осцилляций и элегантным движением разрешили обе нейтринные загадки. Подчеркнем, что присуждение премии руководителям и вдохновителям этих коллективов, Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald), — это дань нобелевской традиции; реальная же научная заслуга, отмеченная этой премией, принадлежит коллаборациям целиком.

Арена действий

Что касается научной сцены действий — нейтринной физики в 90-е годы, — то выглядела она вот как. Нейтрино были к тому времени известны уже полвека и стали для физиков вполне «родными» частицами. За них были даже присуждены две Нобелевские премии по физике: в 1988 году за открытие мюонных нейтрино и в 1995 году за самое первое открытие нейтрино, еще электронного сорта (да, не удивляйтесь, исходное открытие было отмечено Нобелевским комитетом позже, чем расширение списка нейтрино). Через несколько лет, в 2002 году, присудят и третью премию (точнее, ее половину), за открытие солнечных нейтрино, из которого потом выросла солнечная аномалия.

Вітаю! Блог створено!

Вітаю вас на сторінках  мого блогу!
Я, вчитель фізики та астрономії, Несен Лілія Володимирівна, створила блог для вчителів, учнів та батьків, які цікавляться таким чудовим предметом, яким є моя улюблена фізика!