70 лет нейтрино (продолжение)
Итак, родилась одна из самых смелых идей физики XX века: гипотеза о существовании нейтрино. В 1930 году Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном испускается другая частица, невидимая и нейтральная. Эта новая частица объяснила бы, почему электрон не имеет фиксированной энергии: энергия, доступная при распаде, фактически распределялась между электроном и этой неизвестной частицей, которая позже получила название нейтрино. Идея была настолько нетрадиционной, что Паули не сразу опубликовал её в научном журнале, а изложил в письме, которое сегодня хранится в ЦЕРНе в Женеве.
Слева направо: Оскар Д'Агостино, Эмилио Сегре, Эдоардо Амальди, Франко Разетти и Энрико Ферми. Сайт INFN
Термин «нейтрино», обозначающий нечто нейтральное и малое, был введен Энрико Ферми, работавшим в Риме в группе ученых, вошедших в историю как «мальчики с Виа Панисперна», в которую входили, среди прочих, Этторе Майорана и Бруно Понтекорво, главные деятели фундаментальных разработок в физике нейтрино. В течение нескольких лет гипотеза Паули быстро распространилась в научном сообществе, но оставались важные вопросы: каков механизм испускания электрона и нейтрино, и где эти частицы находятся до распада.
Поворотный момент наступил в 1934 году, когда Ферми сформулировал теорию бета-распада, введя концепцию слабого взаимодействия: нового фундаментального взаимодействия природы, ответственного за процессы, происходящие внутри атомного ядра. В его теории электрон и нейтрино не являются частицами, уже присутствующими в ядре до распада, а создаются в самый момент процесса. Таким образом, был подтвержден принцип, которому суждено стать центральным в современной физике: частицы могут создаваться и аннигилироваться. При бета-распаде электрон и нейтрино рождаются одновременно и испускаются одновременно; именно поэтому энергия не концентрируется в одной частице, а распределяется между ними.
Таким образом, существовала теория, но для её полного внедрения в физику требовалось экспериментальное подтверждение. Физики Рудольф Пейерлс и Ханс Бете рассчитали вероятность столкновения нейтрино с атомным ядром, чтобы понять, как его можно обнаружить. Результат оказался неожиданным: вероятность взаимодействия нейтрино с материей оказалась чрезвычайно малой.
Итак, нейтрино оказалось крайне неуловимой частицей, которую очень трудно наблюдать. Это представляло собой огромную проблему для физики, которая нуждалась в экспериментальном подтверждении. Это подтверждение появилось лишь много лет спустя, в 1956 году.
Трудность обнаружения нейтрино заключается в том, что они взаимодействуют исключительно посредством слабого взаимодействия; более того, они являются единственными частицами, обладающими этой характеристикой. Вероятность взаимодействия нейтрино с материей примерно на 20 порядков величины (одна сотая миллиардной миллиардной) меньше, чем у фотона аналогичной энергии: это значение настолько низкое, что позволяет им покидать центр Солнца, пересекать Вселенную или образовываться в ядерном реакторе и проходить сквозь Землю, почти не сталкиваясь ни с чем. Именно благодаря этой способности беспрепятственно проходить через чрезвычайно плотные и труднодоступные области, нейтрино несут ценную информацию об окружающей среде, которую иначе невозможно исследовать. Однако перехватить их крайне сложно: для их обнаружения требуются гигантские потоки частиц и очень большие детекторы.
Первым искусственным источником нейтрино, используемым физиками для фундаментальных исследований, был ядерный реактор. Первый ядерный реактор на основе деления урана был запущен в декабре 1942 года под руководством Энрико Ферми, который в возрасте всего 37 лет в 1938 году получил Нобелевскую премию по физике «за идентификацию новых радиоактивных элементов, образующихся при облучении нейтронами, и за открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».
Продолжение следует...