Нейтрино - это неуловимые субатомные частицы, созданные в самых разных ядерных процессах. Их название, которое означает «маленький нейтральный», относится к тому факту, что они не несут электрического заряда. Из четырех фундаментальных сил во вселенной нейтрино взаимодействуют только с двумя - гравитацией и слабой силой, которая ответственна за радиоактивный распад атомов. Почти не имея массы, они проникают в космос почти со скоростью света.
Бесчисленные нейтрино появились за доли секунды после Большого взрыва. И новые нейтрино создаются постоянно: в ядерных сердцах звезд, в ускорителях частиц и атомных реакторах на Земле, во время взрывного коллапса сверхновых и при распаде радиоактивных элементов. Это означает, что в среднем во Вселенной в 1 миллиард раз больше нейтрино, чем протонов, считает физик Карстен Хигер из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.
Несмотря на их повсеместное распространение, нейтрино в значительной степени остаются загадкой для физиков, потому что частицы очень трудно уловить. Нейтрино текут сквозь большую часть материи, как если бы они были лучами света, проходящими через прозрачное окно, почти не взаимодействуя со всем остальным в существовании. Приблизительно 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела в этот момент, хотя вы ничего не почувствуете.
Обнаружение невидимых частиц
Нейтрино впервые были названы ответом на научную загадку. В конце 19-го века исследователи ломали голову над явлением, известным как бета-распад, при котором ядро внутри атома самопроизвольно испускает электрон. Бета-распад, казалось, нарушал два фундаментальных физических закона: сохранение энергии и сохранение импульса. В бета-распаде конечная конфигурация частиц, казалось, имела немного слишком мало энергии, и протон стоял неподвижно, а не стучался в противоположном направлении электрона. Лишь в 1930 году физик Вольфганг Паули предложил идею о том, что из ядра может вылететь лишняя частица, унося с собой недостающую энергию и импульс.
«Я совершил ужасную вещь. Я постулировал частицу, которая не может быть обнаружена», - сказал Паули другу, имея в виду тот факт, что его предполагаемое нейтрино было настолько призрачным, что оно едва взаимодействовало бы с чем-либо и почти не имело массы ,
Более четверти века спустя физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс построили детектор нейтрино и разместили его возле ядерного реактора на атомной электростанции в Саванна-Ривер в Южной Каролине. Их эксперименту удалось поймать несколько сотен триллионов нейтрино, которые летели из реактора, и Коуэн и Рейнс с гордостью послали Паули телеграмму, чтобы сообщить ему об их подтверждении. Рейнс продолжит получать Нобелевскую премию по физике в 1995 году - к тому времени Коуэн умер.
Но с тех пор нейтрино постоянно бросали вызов ожиданиям ученых.
Солнце производит колоссальное количество нейтрино, которые бомбардируют Землю. В середине 20-го века исследователи создали детекторы для поиска этих нейтрино, но их эксперименты продолжали показывать расхождение, обнаруживая только около одной трети предсказанных нейтрино. Либо что-то не так с астрономическими моделями солнца, либо что-то странное происходило.
Физики в конце концов поняли, что нейтрино, вероятно, бывают трех разных вкусов или типов. Обычное нейтрино называется электронным нейтрино, но существуют и два других вида: мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Проходя расстояние между Солнцем и нашей планетой, нейтрино колеблются между этими тремя типами, поэтому в тех ранних экспериментах, которые были предназначены только для поиска одного аромата, не хватало двух третей их общего количества.
Но только частицы, которые имеют массу, могут подвергнуться этому колебанию, противореча более ранним представлениям, что нейтрино были безмассовыми. Хотя ученые до сих пор не знают точных масс всех трех нейтрино, эксперименты определили, что самые тяжелые из них должны быть по крайней мере в 0,0000059 раз меньше массы электрона.
Новые правила для нейтрино?
В 2011 году исследователи проекта «Осцилляция» с экспериментом по установке эмульсионных устройств (OPERA) в Италии вызвали мировую сенсацию, объявив, что они обнаружили нейтрино, движущиеся быстрее скорости света - предположительно невозможное предприятие. Хотя результаты широко освещались в средствах массовой информации, результаты были встречены с большим скептицизмом со стороны научного сообщества. Менее чем через год физики осознали, что неисправная проводка имитировала обнаружение, превышающее скорость света, и нейтрино вернулись в мир космически законопослушных частиц.
Но ученым еще многое предстоит узнать о нейтрино. Недавно исследователи из эксперимента Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) в Национальной ускорительной лаборатории Fermi (Fermilab) недалеко от Чикаго предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили новый тип нейтрино, называемый стерильным нейтрино. Такое открытие подтверждает более раннюю аномалию, обнаруженную на детекторе нейтринных нейтронов с жидким сцинтиллятором (LSND), эксперимент в Национальной лаборатории Лос-Аламос в Нью-Мексико. Стерильные нейтрино разрушают всю известную физику, потому что они не вписываются в так называемую Стандартную модель, каркас, который объясняет почти все известные частицы и силы, кроме гравитации.
Если новые результаты MiniBooNE сохранятся: «Это было бы огромно; это выходит за рамки Стандартной модели; для этого потребовались бы новые частицы… и совершенно новая аналитическая структура», - сказала физика частиц Кейт Шолберг из Университета Дьюка в журнале Live Science.
