Нобелівську премію в галузі фізики за 2015 рік отримали Такаакі Кадзіта (Японія) і Артур Манкдоналд (Канада) за дослідження нейтрино і експерименти по виявленню маси цієї елементарної частинки. Про це Нобелівський комітет повідомив на спеціальній прес-конференції в столиці Швеції Стокгольмі.

"Відкриття змінило наше розуміння найпотаємніших процесів в матерії і може виявитися вкрай важливим для нашого розуміння всесвіту", - йдеться в прес-релізі комітету.

Сума Нобелівської премії цього року становить 953 тисячі доларів США. Дослідники розділять її навпіл.

Відзначимо, що дослідження нейтрино допомагають вченим заглядати в глибокий космос, відстежувати життєвий цикл зірок, виявляти далекі астрономічні об'єкти. З їх допомогою також ведуться дослідження складу Землі. Крім того, поняття нейтрино використовується в квантовій механіці - наприклад, через дослідження в цій галузі фізики розраховують створити нові технології передачі інформації на великі відстані і через величезні перешкоди.

Нагадаємо, в 2014 році нагороду в галузі фізики присудили японцям ІСОМ Акасака, Хіроші Амано і громадянину США також японського походження Cюдзі Накамурі.

Всього з 1901 року і до сьогоднішнього дня Нобелівську премію в галузі фізики вручали 108 раз, зазначивши нею 199 вчених. Лауреатів найвищої наукової нагороди не оголошували тільки в 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 і одна тисяча дев'ятсот сорок дві роках.

Наймолодшим фізиком, який отримав "нобеля" був австралієць Лоуренс Брегг. Разом зі своїм батьком Вільямом Брегг він був відзначений в 1915 році за дослідження структури кристалів за допомогою рентгенівських променів. Вченому на момент оголошення результатів голосування Нобелівського комітету було всього 25 років. А найстаршому нобелівського лауреата в галузі фізики, американцеві Реймонду Девісу, в день присудження нагороди було 88 років. Своє життя він присвятив астрофізиці і зміг виявити такі елементарні частинки, як космічні нейтрино. Середній вік фізиків в день присудження їм премії до сьогоднішнього дня становив 55 років.

Серед лауреатів-фізиків найменшу кількість жінок - всього дві. Це Марія Кюрі, яка разом з чоловіком П'єром в 1903 році отримала нагороду за дослідження радіоактивності (вона в принципі першою з жінок отримала вищу наукову нагороду) і Марія Гепперт-Майер - її в 1963 році нагородили за відкриття, що стосуються оболонкової структури ядра.

Канадець Артур Макдоналд і японець Такаакі Кадзіта «за відкриття нейтронних осциляцій, що показують, що нейтрино мають масу». В існуванні ненульовий маси у цієї частки фізики були впевнені останні кілька десятиліть, а рішення Шведської королівської академії наук остаточно поставило крапку в цьому питанні.

Історично нейтрино виникли у фізиці елементарних частинок більше 80 років тому в ході пошуків вирішення двох завдань ядерної фізики: так званої азотної катастрофи і опису безперервного спектра електронів в бета-розпаді. Перша проблема пов'язана з тим, що вчені вважали вірною теорію Резерфорда, згідно з якою атом складається з протонів і електронів. Зокрема, фізики не знали про існування нейтрона і вважали, що ядро \u200b\u200bатома азоту складається виключно з протонів. Це призводило до того, що досвід і теорія давали різні значення спина ядра (його повного моменту кількості руху).

Друга проблема - безперервного спектра електронів в бета-розпаді (цей розпад змінює заряд ядра на одиницю і призводить до випускання електрона або його античастинки - позитрона) - пов'язана з тим, що в дослідах по бета-розпаду енергії утворюються електронів змінювалися безперервним чином на відміну від , наприклад, дискретного (переривчастого) спектра альфа-частинок (ядер гелію-4).

Дві проблеми не давали спокою фізикам, оскільки приводили до порушення законів збереження - імпульсу, моменту імпульсу і енергії. Деякі вчені, зокрема, датчанин Нільс Бор, навіть припустили, що настав час переглянути енергетичні основи фізики і відмовитися від законів збереження. На щастя, цього не довелося робити.

Всіх заспокоїв швейцарський фізик Вольфганг Паулі. У 1930 році він написав листа учасникам конференції в місті Тюбінген. «Є можливість того, що в ядрах існують електрично нейтральні частинки, які я буду називати" нейтронами "і які мають спіном 1/2. Маса "нейтрона" по порядку величини повинна бути порівнянною з масою електрона і в усякому разі не більше 0,01 маси протона. Безперервний бета-спектр тоді став би зрозумілим, якщо припустити, що при розпаді разом з електроном випускається ще й "нейтрон" - таким чином, що сума енергій "нейтрона" і електрона залишається постійною », - повідомляв вчений.

«Нейтрон» Паулі виявився не тим нейтроном, який експериментально відкрив в 1932 році британець Джеймс Чедвік, а теоретично припустили радянський фізик Дмитро Іваненко і німець Вернер Гейзенберг. Тим часом, в 1933 році Паулі виступив на Сольвеєвських конгресі в Брюсселі, де розповів подробиці своєї ідеї, «врятувала» закон збереження енергії.

Нейтрино (італійське «маленький нейтрон») дав ім'я італійський фізик Енріко Фермі, який створив першу кількісну теорію бета-розпаду. У ній описувалося взаємодія чотирьох частинок: протона, нейтрона, електрона і нейтрино. Нейтрино в теорії Фермі не міститься в атомному ядрі, як вважав Паулі, а вилітає з нього разом з електроном в результаті бета-розпаду.

Фермі вважав нейтрино нейтральної часткою легше електрона або навіть з масою, що дорівнює нулю. Однак його теорія була неперенорміруемой (приводила до расходимостей). Тільки після введення нових частинок - проміжних векторних бозонів - і створення електрослабкої теорії, що об'єднує слабкі й електромагнітні взаємодії, все властивості нейтрино отримали несуперечливе теоретичне обгрунтування. З тих пір саме нейтрино стали основними маркерами слабкої взаємодії.

Починаючи з експериментального відкриття нейтрино в 1953-1956 роках американськими фізиками Фредеріком Райнесом і Клайдом Коеном (перший з них отримав за це Нобелівську премію в 1995 році, другий до цього не дожив - помер в 1974-му), вчених хвилювало два питання. Перший - чи мають нейтрино масу і чи існують у них античастинки. Відкриття Макдоналда і Кадзіти дозволили ствердно відповісти на це питання. Так, нейтрино мають масу.

Основний внесок в це відкриття внесли роботи Макдоналда і Кадзіті і очолюваних ними колективів. Детектор нейтринної обсерваторії в Садбері SNO (Sudbury Neutrino Observatory), якою керує Артур Макдоналд, дозволив спостерігати осциляції сонячних нейтрино, а японський експеримент Super-Kamiokande дозволив виявити осциляції атмосферних нейтрино.

Нейтрино надзвичайно мало взаємодіє з речовиною: довжина вільного пробігу такої частки в воді може сягати приблизно ста світлових років. Для того щоб зафіксувати нейтрино, необхідні надчутливі експериментальні установки, що відтинають інші фонові процеси, які можуть заважати реєстрації нейтрино.

Канадський детектор в Садбері розміщується в нікелевому руднику, на глибині більше двох кілометрів. Він має вигляд сфери діаметром 12 метрів, яка заповнена тисячею тонн важкої води, оточеної сімома тисячами тонн звичайної води. У сфері на відстані близько півметра розташовані близько 9,5 тисячі фотоелектронних помножувачів, які реєструють продукти взаємодії нейтрино з дейтерієм (серед них - протони, електрони і нейтрино).

Детектор Super-Kamiokande використовує простір печери, розташованої в 250 кілометрах від KEK (основний японської організації з досліджень у фізиці елементарних частинок). У ній знаходиться резервуар з 50 тисячами тонн води і розміщеними в ній фотоумножителями.

Під осцилляциями нейтрино маються на увазі взаємоперетворення одного сорту цих частинок в інші. Всього існують три типи нейтрино (і, можливо, три типи відповідають їм античастинок): електронне нейтрино (історично перший відкритий тип нейтрино), мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Разом з електроном, мюонів і Таон вони утворюють шість лептонів - клас безструктурні елементарних частинок. Адрони теж вважаються елементарними частинками, проте складаються з кварків, які внаслідок явища асимптотической свободи (невилетанія) не можуть спостерігатися у вільному стані.

Проблема нейтронних осциляцій виникла з астрофізики - вчені спостерігали розбіжність між генеруються Сонцем кількістю електронних нейтрино і досягають Землю частками (приблизно дві третини таких частинок не досягають планети в початковому стані). Вперше це спостерігав американський фізик Девіс Раймонд (він отримав в 2002 році Нобелівську премію «за створення нейтринної астрономії») в експериментах з мішенню з тетрахлоретилену. Дефіцит нейтрино вчені спостерігали неодноразово, а пояснення цьому запропонували американець Лінкольн Вольфенштайн (в 1976 році) і радянські фізики Станіслав Міхєєв і Олексій Смирнов (в 1986 році).

Запропонований механізм отримав назву ефекту Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна. Явище полягає в тому, що при русі нейтрино в речовині навколишні його лептони індукують появу у частинки так званої ефективної маси, яка залежить від типу нейтрино і щільності лептонів в середовищі. Якщо маси нейтрино дорівнюють нулю або збігаються, то такого процесу бути не повинно.

У класичній версії Стандартної моделі (СМ) - сучасної і найбільш несуперечливої \u200b\u200bробочої теорії, що описує всі відомі взаємодії елементарних частинок і отримала впевнене експериментальне підтвердження (завершилося відкриттям бозона Хіггса), - нейтрино мають рівну нулю масу. Однак в останні десятиліття вчені проводять розрахунки, вважаючи масу нейтрино ненульовий, - це досягається невеликою модифікацією СМ без порушення її внутрішньої стрункості.

Теоретично осциляції нейтрино включаються в СМ матрицею Понтекорво-Макі-Накагави-Саката, елементи якої містять так звані кути змішування (серед яких є і такі, які можуть зробити нейтрино так званими майорановскімі частинками, але про це - нижче). У цьому сенсі прийняття ненульовий маси нейтрино ніяк не означає якогось принципово нового розширення СМ.

Разом з тим в теоретичній фізиці частинок існують три групи фермионов (так називаються частинки з напівцілим спіном - саме до них відносяться нейтрино): вейлевскіе, майорановскіе і діраковской. Частинки Германа Вейля (передбачені німецьким вченим в 1929 році) виникають як рішення безмассового рівняння Поля Дірака (яке, в свою чергу, описує релятивістські масивні ферміони - зокрема, електрони і їх античастинки - позитрони). Початкове рівняння при цьому розпадається на два, кожне з яких називається рівнянням Вейля і описує безмасові ферміони з протилежними спіральні. Ферміони Етторе майоран відрізняються від своїх античастинок. До діраковской ферміонами відносяться всі частинки, які не потрапляють під визначення вейлевскіх і майорановскіх.

В даний час все ферміони Стандартної моделі впевнено (крім нейтрино) вважаються діраковской. Відкриття Макдоналда і Такаакі показало масивність нейтрино, отже, ці частинки не є вейлевскімі. Питання про те, чи збігаються у нейтрино їх частки з античастинками (тобто чи є запропоновані Паулі частки майорановскімі), в даний час залишається відкритим. Найцікавіше починається, якщо виявиться, що нейтрино не є діраковской, а майорановскімі частинками.

Вейлевскіе ферміони вченим виявити, але тільки в формі квазичастиц. Частинки фізики виявили в експериментах по проходженню світла через одну з форм кристалів арсеніду танталу (сполуки миш'яку і танталу). Вчені зуміли вибрати з усього різноманіття таких кристалів (їх оптичні властивості залежать від частоти падаючого випромінювання) з'єднання з необхідними фізичними властивостями. Матеріал з такими квазічастинками може знайти застосування в комп'ютерах майбутнього.

Шукати майорановскіе нейтрино можна різними способами. Найпоширеніший з них полягає в пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду, в результаті якого електричний заряд атомного ядра збільшився б на дві одиниці з випусканням двох бета-частинок (двох електронів). Подвійний бета-розпад - різновид радіоактивного розпаду, при якому Зарядове число ядра збільшується на дві одиниці. В результаті маса ядра практично не змінюється, а додатково утворюються два електрона і два електронних антинейтрино. У безнейтринного подвійному бета-розпад, як зрозуміло з назви, не утворюються нейтрино (або антинейтрино). Для цього необхідно, щоб нейтрино були майорановскімі частками (тобто частками, античастинки яких збігаються з частинками), і мали відмінну від нуля масу.

У Стандартної моделі - сучасної теорії фізики елементарних частинок - безнейтринного подвійний бета-розпад порушує закон збереження (загального) лептонного числа. Так, якщо в подвійному бета-розпаді утворюються по дві частинки і античастинки (наприклад, два електрона (лептонний заряд дорівнює +2) і два електронних антинейтрино (лептонний заряд дорівнює -2)) і закон збереження лептонного числа зберігається (0 \u003d + 2 2), то в безнейтринного подвійному бета-розпад можуть утворитися тільки, наприклад, два електрона, і закон збереження лептонного числа виявляється порушеним (0 ≠ + 2).

До сих пір вчені не виявили майорановскіе нейтрино, і прогнози тут поки невтішні. Пошуки майорановскіх нейтрино і спроби виявлення процесів, що порушують закони збереження лептонного і баріонів чисел, є прагненням фізиків вийти за межі СМ: лептонні і баріонів числа, на відміну від, наприклад, електричного заряду, не є джерелами каліброваного поля (в разі електричного заряду - електромагнітного поля). В даний час вчені продовжують експерименти по виявленню майорановскіх нейтрино, а їх метою є перевірка різних гіпотез і обмежень на розширення СМ (в тому числі суперсиметричні і з додатковими просторовими вимірами).

Так, якщо в СМ ввести майорановскіе нейтрино, то виявляється можливим істотно просунутися в поясненні відразу багатьох питань сучасної космології, зокрема, проблеми темної матерії і спостерігається асиметрії речовини і антиречовини. Нейтрино, на думку багатьох вчених, є підходящим кандидатом на роль частинок гарячої темної матерії - таких частинок прихованої маси, які рухаються зі швидкістю, близькою. На роль же частинок холодної темної матерії (рухомих набагато повільніше нейтрино) пропонується цілий зоопарк екзотичних частинок, в тому числі ряд частинок-суперпартнерів відомих частинок Стандартної моделі.

Масивні нейтрино, як і їх суперпартнери - снейтріно, входять до складу багатьох розширень СМ, перш за все суперсиметричних. У суперсиметрії число частинок подвоюється за рахунок того, що кожної відомої частці ставиться у відповідність її частка-парнер. Наприклад, для фотона - Фотину, кварка - Скварка, хиггса - хіггсіно і так далі. Суперпартнери повинні мати значення спина, на напівціле число відрізняється від значення спина у вихідній частки - це означає, що у суперпартнерів інша квантова статистика (частка-бозон має суперпартнери фермион і навпаки).

Тому фізики досліджують спеціальні сценарії, в які укладені спеціальні простору значень параметрів (маси частинок і значення кутів змішування в матрицях типу матриці змішування кварків Каббібо-Кобаяші-Маскави і матриці змішування нейтрино Понтекорво-Макі-Накагави-Саката), що дозволяють провести експерименти для виявлення слідів суперсиметричних частинок. В ході останніх експериментів на Великому адронному колайдері для суперсиметричних моделей були отримані досить сильні обмеження на параметри теорії, однак на її основі все ще існують можливість побудови несуперечливої \u200b\u200bмоделі фізики частинок.

З нейтрино пов'язано багато таємниць, скандалів і відомих відкриттів, а говорити про неї можна дуже довго. Так, італієць Етторе Майорану безслідно зник під час плавання з Неаполя в Палермо, а Ісаак Померанчук - учень радянського фізика Льва Ландау - вважав створення в 1955 році теорії двокомпонентного нейтрино (над нею також працювали Лі Цзундао, Янг Чженьнін і Абдус Салам) вершиною наукової творчості свого вчителя.

У 2011 році колаборація OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) оголосила про виявлення сверхсветових нейтрино. Пізніше вчені визнали своє відкриття помилковим і відмовилися від нього. Не оминули увагою нейтрино і письменники. У романі Станіслава Лема «Соляріс» описувалися «гості» - розумні істоти з нейтрино.

Кожне відкриття, пов'язане з нейтрино, відзначається увагою Нобелівського комітету. І не випадково: все розвиток фізики елементарних частинок в XX столітті нерозривно пов'язане з цією часткою, проте про неї відомо надзвичайно мало - менше неї вивчений тільки бозон Хіггса. 85 років історії досліджень нейтрино так і не дозволили визначити її масу, а непрозорість її властивостей дозволила фізикам зв'язати подальший прогрес в науці з прогнозуванням потенційних властивостей цієї частки.

СТОКГОЛЬМ, 6 жовтня. / Кор. ТАСС Ірина Дергачова /. Нобелівська премія 2015 року в галузі фізики присуджена у вівторок Такаакі Каджая (Японія) і Артуру Макдональд (Канада) за відкриття осциляцій нейтрино, які свідчать про наявність у них маси.

Про це оголосив Нобелівський комітет при Королівської академії наук Швеції.

Розмір премії становить один мільйон шведських крон - це приблизно 8 млн рублів за поточним курсом. Нагородження лауреатів відбудеться в день смерті Альфреда Нобеля 10 грудні в Стокгольмі.

Лауреатам вдалося вирішити проблему, над якою фізики билися дуже давно. Вони довели, що частки нейтрино мають масу, нехай і дуже малою. Це відкриття називають епохальним для фізики елементарних частинок.

"Це відкриття змінило наше уявлення про внутрішню будову матерії і може виявитися вирішальним для нашого розуміння Всесвіту", - пояснив комітет.

Нейтрино - елементарна частинка, яка "відповідає" за одне з чотирьох фундаментальних взаємодій, а саме за слабку взаємодію. Воно лежить в основі радіоактивних розпадів.

Існують три типи нейтрино: електронне, мюонне і тау-нейтрино. У 1957 році працював в Дубні італійський і радянський фізик Бруно Понтекорво передбачив, що нейтрино різних типів можуть переходити один в одного - цей процес називається осцилляциями елементарних частинок. Однак в разі нейтрино існування осциляцій можливо тільки в тому випадку, якщо ці частинки мають масу, а з моменту їх відкриття фізики вважали, що нейтрино - безмасові частки.

Здогад вчених була експериментально підтверджена одночасно японської та канадської групами дослідників під керівництвом, відповідно, Такаакі Кадзіти і Артура Макдональда.

Кадзіта народився в 1959 році і в даний час працює в Токійському університеті. Макдональд народився в 1943 році і працює в Університеті Куїнс в канадському Кінгстоні.

Фізик Вадим Бедняков про нейтринної осциляції

Практично одночасно група фізиків на чолі з другим лауреатом Артуром Макдональдом аналізувала дані канадського експерименту SNO, зібрані в обсерваторії в Садбері. Обсерваторія спостерігала потоки нейтрино, які летять від Сонця. Зірка випромінює потужні потоки електронних нейтрино, проте у всіх експериментах вчені спостерігали втрату приблизно половини частинок.

В ході експерименту SNO було доведено, що одночасно зі зникненням електронних нейтрино в потоці променів з'являється приблизно стільки ж тау-нейтрино. Тобто Макдональд і колеги довели, що відбуваються осциляції електронних сонячних нейтрино в тау.

Доказ, що у нейтрино є маса, зажадало переписати Стандартну модель - базову теорію, яка пояснює властивості всіх відомих елементарних частинок і їх взаємодії.

У 2014 році найпрестижніша наукова нагорода з фізики дісталася японським вченим Исаму Акасака, Хіросі Амано і Судзі Накамурі за винахід синіх світлодіодів (LED).

Про премію

Згідно із заповітом Альфреда Нобеля, премія з фізики повинна вручатися тому, "хто зробить найбільш важливе відкриття або винахід" в цій галузі. Премію присуджує Шведська королівська академія наук, розташована в Стокгольмі. Її робочий орган - Нобелівський комітет з фізики, члени якого обираються академією на три роки.

Першим премію в 1901 році отримав Вільям Рентген (Німеччина) за відкриття випромінювання, названого його ім'ям. У числі найбільш відомих лауреатів - Джозеф Томсон (Великобританія), зазначений в 1906 році за дослідження проходження електрики через газ; Альберт Ейнштейн (Німеччина), який отримав премію в 1921 році за відкриття закону фотоефекту; Нільс Бор (Данія), нагороджений в 1922 році за дослідження атома; Джон Бардін (США), дворазовий володар премії (1956 рік - за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту, 1972 рік - за створення теорії надпровідності).

Правом висувати кандидатів на премію мають вчені різних країн, включаючи членів Шведської королівської академії наук і лауреатів Нобелівської премії з фізики, які отримали спеціальні запрошення від комітету. Пропонувати кандидатів можна з вересня до 31 січня наступного року. Потім Нобелівський комітет за допомогою наукових експертів відбирає найбільш гідні кандидатури, а на початку жовтня академія більшістю голосів обирає лауреата.

Російські вчені ставали лауреатами Нобелівської премії з фізики десять разів. Так, 2000 року Жорес Алфьоров був удостоєний її за розробку концепції напівпровідникових гетероструктур для високошвидкісної оптоелектроніки. У 2003 році Олексій Абрикосов і Віталій Гінзбург спільно з британцем Ентоні Леггетт отримали цю нагороду за новаторський внесок в теорію надпровідників. У 2010 році Костянтин Новосьолов та Андре Гейм, які працюють нині в Великобританії, були удостоєні нагороди за створення найтоншого у світі матеріалу - графена.

Фізики досліджують не тільки властивості великих тіл, включаючи величезну Всесвіт, а й світ дуже маленьких або так званих елементарних частинок. Один з розділів сучасної фізики, в якому вивчаються властивості частинок, називається фізикою елементарних частинок. Виявлених часток виявилося так багато, що була складена таблиця, подібна періодичної таблиці Менделєєва для хімічних елементів, але частинок на відміну від хімічних елементів виявилося набагато більше ста. Природно, що фізики намагалися класифікувати ці частинки шляхом створення різних моделей. Одна з них - так звана Стандартна модель, яка пояснює властивості всіх відомих частинок, а також їх взаємодії.

Відомо, що наш Всесвіт управляється чотирма взаємодіями - слабке, сильне, електромагнітне, гравітація. Ці взаємодії - результат розпаду якоїсь суперсили, природа якої нам невідома. Вона привела до Великого Вибуху і утворення нашого Всесвіту. Розгадка суперсили допоможе нам зрозуміти механізм утворення нашого світу, а також встановити причину, яким чином фізичні закони і фундаментальні постійні були вбудовані в наш Всесвіт і управляють нею. У міру остигання Всесвіту суперсила розпалася на чотири сили, без яких в ній не було б ніякого порядку. Ми можемо зрозуміти природу суперсили шляхом об'єднання чотирьох взаємодій. Стандартна модель враховує лише три види взаємодії частинок - слабке, сильне і електромагнітне, тому що гравітація в світі маленьких частинок незначна в силу нікчемності їх мас і тому не розглядається. Ця модель не є «теорією всього», тому що вона не описує темну матерію і темну енергію, з яких складається майже 96% нашого Всесвіту, а також не враховує гравітацію.

Пошуки відхилень від цієї моделі і створення «нової фізики» - одна з найбільш цікавих напрямків досліджень в сучасній фізиці. Суперколайдер в Європі був побудований, крім усього іншого, для перевірки Стандартної моделі і створення «нової фізики». Відповідно до цієї моделі нейтрино є безмассовой часткою. Відкриття маси у нейтрино стало важливим критичним тестом цієї моделі.

Історія фізики елементарних частинок почалася в кінці 19 століття, коли англійський фізик Дж. Дж. Томсон відкрив електрон, вивчаючи відхилення катодних променів в магнітному полі. Пізніше Беккерелем було відкрито явище радіоактивності, в якому утворюються три види випромінювання. Вони називалися альфа-, бета-і гамма променями (три перші літери грецького алфавіту). Дослідження природи цих випромінювань показало, що альфа частинки - це позитивно заряджені ядра атомів гелію, бета частинки - електрони з негативним зарядом, а гамма частки - частки світла або фотони, які не мають ні маси, ні заряду. У 1905 р Рентгеном були відкриті Х-промені. Це ті ж гамма промені, але з високою проникаючою здатністю. У 1911 р знаменитий англійський учений Резерфорд, вивчаючи відхилення альфа частинок тоненькими пластинками золота, встановив планетарну модель атома. Це був рік народження ядерної фізики. Відповідно до цієї моделі атоми складаються з позитивно заряджених ядер, навколо яких обертаються негативно заряджені електрони. Атоми електрично нейтральні, тому що число електронів дорівнює числу протонів. У 1932 р була сформульована протон-нейтронна модель атомних ядер після передбачення англійським фізиком Чедвік нової незарядженою частки - нейтрона з масою близькою масі протона. Незабаром нейтрони були виявлені в ядерній реакції взаємодії вуглецю з альфа частинками. Число елементарних частинок зросла до 1932 р до чотирьох - електрон, фотон, протон і нейтрон. Тоді ж Поль Дірак передбачив античастинки. Наприклад, античастинкою електрона є позитрон. Античастинкою атома є антіатом, який складається з негативно заряджених антипротонів і нейтральних антинейтронів з позитивно зарядженими позитрона, що обертаються навколо антиядра. Ефект переважання матерії над антиматерією у Всесвіті - одна з фундаментальних проблем фізики, яка буде вирішуватися за допомогою суперколайдера.

Якщо ви читали книгу Дена Брауна «Ангели і Демони», то, напевно, пам'ятаєте, як фізики за допомогою потужного прискорювача, синхрофазотрона, отримали невелику кількість антиречовини в кількості менше 1 грама, але яке має потужну руйнівну силу, наприклад, за версією автора, знищити Ватикан в Римі. Так хто ж і коли передбачив маленьке нейтрино?

Коли фізики вивчали явище бета-розпаду, вони виявили, що спектр випускаються електронів ні дискретним, як передбачалося законом збереження енергії, а був безперервним. Тобто частина енергії електрона куди - то зникала і таким чином закон збереження енергії як би порушувався. Знаменитий Нільс Бор навіть припустив, що, можливо, при бета-розпаді ядер закон збереження енергії порушується. Однак фізиків скептично поставилися до цієї ідеї і намагалися знайти інше пояснення причини зникнення енергії.

Австрійський фізик Вольфганг Паулі в 1932 р передбачив існування в процесі бета розпаду ще однієї частки, яка не має ні маси, ні заряду і яка забирає відсутню енергію. Італійський фізик Е. Фермі, який побудував потім теорію бета-розпаду, запропонував називати цю частку нейтрино, тобто маленький нейтрон. Однак зареєструвати нейтрино виявилося неможливим протягом майже 25 років, тому що ця частка вільно, без будь-яких взаємодій, могла проникати через величезні товщі простору, що не взаємодіючи з нею. Наприклад, поки ви читаєте цю статтю, через ваше тіло пролетить сотні трильйонів нейтрино, що не взаємодіючи з вами.

Знадобилося майже 25 років після пророцтва Паулі, щоб ця надзвичайна частка була нарешті виявлена. Існування нейтрино вперше було підтверджено американськими фізиками Коуеном і Райніс в 1956 р Так як нейтрино - «невловима» частка, то її реєструють непрямим шляхом. Зазвичай детектор поміщають глибоко під Землею (1500 м), щоб виключити вплив різних чинників, і заповнюють його, наприклад, хлором в кількості 400,000 літрів. Сонячні нейтрино в дуже рідкісних випадках (одно / два нейтрино в день) можуть перетворити хлор в радіоактивний аргон, який можна зареєструвати, тому що він випромінює фотони.

У канадському експерименті детектор - це сфера з діаметром 12 м, яка заповнювалася 1000 тонн важкої дейтерієвої водою і містилася на глибину 2000 м. Нейтрино, пролітаючи крізь цю сферу, в дуже рідкісних випадках взаємодіє з дейтерієм (близько 10 подій в день), утворюючи електрони , спектр яких вимірюється, або нейтрони, які реєструються за допомогою детекторів. Таким чином були зареєстровані сонячні нейтрино. Перші експерименти з метою виявлення нейтрино показали, що насправді їх в три рази менше в порівнянні з розрахованими на основі математичної моделі Сонця і ця проблема тоді називаласяsolar neutrino problem. Oздавалося, що насправді є три види нейтрино - електронне, мюонне і тау-нейтрино. Перетворення нейтрино одного виду в інший називаєтьсяосциляції нейтрино. Причина осциляцій - це наявність у нейтрино маси. У надрах Сонця в реакціях термоядерного синтезу народжується тільки електронне нейтрино, але на шляху до Землі воно може перетворюватися в інші види нейтрино - мю і тау. Тому в перших експериментах їх реєструвалося в

«Веселі» кульки - три види нейтрино електронне, мюонне і тау-нейтрино в три рази менше. Німецький учений Ганс Бете передбачив серіюпротон-протонних реакційна Сонце пояснюють, чому Сонце випромінює грандіозну енергію. Пізніше за це відкриття йому була присуджена Нобелівська премія. У цих реакціях чотири атома водню перетворюються в атом гелію. При цьому утворюються нейтрино, позитрони і виділяється величезна енергія. Кожну секунду чотири мільйони тонн маси Сонця (!) Перетворюється в енергію відповідно до формули Ейнштейна Е \u003d мс². Але маса Сонця настільки велика (нагадаю, що Сонце важча за Землю більше, ніж в 330,000 раз), що випромінювання Сонця триватиме мільярди років. Використовуючи ті ж реакції, які відбуваються на Сонці, фізики сконструювали водневу бомбу, тобто маленьке «рукотворне» Сонце на Землі, в якому відбуваються ті ж термоядерні реакції, що і на Сонце. Якби наше розуміння цих реакцій було неправильним, вибух водневої бомби був би просто неможливий.

Нові експерименти А. Макдональда (Канада) і Т. Каджіта (Японія) дозволили їм визначити масу нейтрино, тобто вони довели в своїх тонких експериментах існування нейтронних осциляцій, тобто перетворення нейтрино один в одного.Маса нейтрино виявилася надзвичайно мала, в мільйони разів менше маси електрона, найлегшою елементарної частинки у Всесвіті. Нагадаю, що фотон, тобто частка світла, не має маси і є найпоширенішою часткою у Всесвіті. За це відкриття вони отрималиНобелівську премію з фізики 2015 року. Як оголосив Нобелівський комітет, нагороди вручені «за відкриття осциляції нейтрино, що показує, що у нейтрино є маса». Вони довели реальність нейтронних осциляцій, тобто перетворення одного виду нейтрино в інші і навпаки.

Це відкриття є фундаментальним, тому що змінює баланс мас у Всесвіті. Від маси нейтрино залежать оцінки маси нашого Всесвіту.Інформація про точному значенні маси нейтрино важлива для пояснення прихованої маси Всесвіту, так як, не дивлячись на її трохи, їх концентрація у Всесвіті величезна і це може суттєво вплинути на її повну масу.

Підведемо підсумки. Передбачення нейтрино Паулі дозволило фізикам пояснити явище бета розпаду і підтвердити, що при цьому процесі закон збереження енергії не порушується. Реєстрація сонячних нейтрино дозволила фізикам перевірити математичну модель Сонця і передбачити протон-протонні реакції, що пояснюють величезну виділення енергії Сонцем і відкрити три види нейтрино. Це дозволило фізикам створити маленьке Сонце на Землі у вигляді водневої бомби. Осциляції нейтрино, тобто перетворення нейтрино одного виду в інші, були наслідком наявності маси у нейтрино. Їх відкриття було відзначено Нобелівською премією 2015. Хоча маса нейтрино в мільйони разів менше маси електрона, від нього залежать оцінки маси Всесвіту і, в кінцевому рахунку, це допоможе фізикам зрозуміти природу прихованої маси нашого Всесвіту. Завдяки ненульовий масі нейтрино фізики шукають вихід за межі Стандартної моделі, тобто нейтринні дослідження наближають їх до створення «нової фізики» і нового розуміння процесів усередині нашого світу.