Что такое Стандартная модель? Можно ли назвать ее теорией всего?

Это модель, которая описывает элементарные частицы и способы их взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Элементарными мы называем частицы, у которых нет внутренней структуры — они ни из чего не состоят.

Стандартная модель описывает все процессы в области физики элементарных частиц, о которых мы знаем, за исключением нейтринных осцилляций. Они являются единственным прямым указанием на неполноту этой модели. Но о них чуть позже.

Конечно, Стандартную модель нельзя назвать теорией всего (гипотетическая физико-математическая теория, которая описывает все известные фундаментальные взаимодействия. — Прим. ред.), так как в этом случае мы выходим за рамки физики элементарных частиц — физики в самых маленьких масштабах. Стандартная модель не включает в себя гравитацию и не описывает темную материю, это не «вся» физика. Для описания этих явлений требуется что-то еще.

Что отличает нейтрино от других элементарных частиц? Какую роль она играет в их взаимодействии?

Элементарные частицы можно разделить на те, которые отвечают за взаимодействие других частиц, и те, которые в этом взаимодействии участвуют. Фотоны, например, отвечают за электромагнитные взаимодействия (взаимодействие между частицами, обладающими электрическим зарядом. — Прим. ред.). С этой точки зрения, нейтрино не переносят взаимодействие, как фотон, а участвуют в нем. Они как аналог электронов, только без электрического заряда. По этой причине нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях, например в распаде нейтрона. Все это — радиоактивные распады, в результаты которых появляются электрон или позитрон, нейтрино или антинейтрино.

Как ученые открыли нейтрино? Почему сначала его «придумали» и лишь потом доказали?

Все измерительные приборы являются электромагнитными; с их помощью невозможно напрямую увидеть частицы, которые не участвуют в электромагнитном взаимодействии. По этой причине нейтрино — частицу без электрического заряда — нельзя было открыть случайно; ученые пришли к ней теоретическим путем.

Нейтрино «придумали», чтобы объяснить дисбаланс энергии в процессе радиоактивного распада. В начале XX века ученые обнаружили, что при бета-распаде из ядра вылетают электроны с разной энергией. Это противоречило закону сохранения энергии; согласно ему, электрон должен был всегда вылетать с одной и той же энергией. Тогда ученые предположили, что при распаде ядра вместе с электроном вылетает еще одна частица, которая не обладает электрическим зарядом и по этой причине не может быть зарегистрирована. Согласно этой гипотезе, при бета-распаде энергия распределяется между частицей (она же нейтрино) и электроном. В дальнейшем ученые сумели подтвердить существование нейтрино экспериментально.

Как работают детекторы нейтрино? Как можно зарегистрировать частицу без заряда?

В отличие от макромира, в мире элементарных частиц время можно повернуть вспять: микрообъекты, стабильные частицы типа электрона — не стареют. Результат бета-распада можно запустить обратно. Тогда вместо нейтрино появится антинейтрино, вместо электрона — позитрон. Ученые могут менять начальные и конечные состояния элементарных частиц, главное — использовать при этом достаточно мощные источники энергии. Это называется прямым и обратным процессами.

Для регистрации неуловимой частицы необходимо зафиксировать поглощение нейтрино, которое при обратном процессе бета-распада сопровождается появлением позитрона (античастица электрона. — Прим. ред.). Это свидетельство того, что нейтрино участвовало во взаимодействии.

Где рождаются нейтрино? Их источники — звезды?

Прямым источником нейтрино является радиоактивный распад. В самом ядре тяжелых элементов нейтрино нет, в нем лишь происходит переход: если это прямой бета-распад, то нейтрон переходит в протон, и вылетают электрон и антинейтрино, если обратный бета-распад — протон переходит в нейтрон, и вылетает позитрон и нейтрино. То есть эти частицы рождаются в таких элементарных процессах.

Если говорить о макроскопическом источнике, то его можно найти там, где есть много радиоактивных элементов. Таким местом на Земле является любой ядерный реактор. Ученые собирают уран и другие элементы на атомных станциях, где вырабатывается тепло и энергия; происходит распад тяжелых элементов в легкие, и в результате вылетает огромное количество антинейтрино.

На Солнце происходит обратный процесс — легкие элементы синтезируются и превращаются в более тяжелые, в результате вылетает много-много нейтрино. Солнце является мощнейшим источником этих неуловимых частиц.

Есть и другие источники. Например, реликтовые нейтрино остались еще с эпохи первичного нуклеосинтеза в ранней Вселенной. Еще один источник — вспышки сверхновых звезд.

Почему сегодня ученые продолжают изучать нейтрино и другие элементарные частицы? Может ли это иметь практическое применение?

Логика экспериментальной физики заключается в том, чтобы проверить уже известные всем законы в новых условиях. Например, все мы знаем, что сила взаимодействия частиц обратно пропорциональна расстоянию. А если это расстояние изменить? Как будет устроено взаимодействие частиц на расстоянии метра? Сантиметра? Миллиметра? Микрона? Если окажется, что характер взаимодействия меняется в зависимости от расстояния, потребуется уточнение физического закона. По этой причине изучение таких фундаментальных взаимодействий и их природы очень важно.

Если говорить о практическом применении нейтрино, его можно обнаружить в работе с ядерными реакторами. Дело в том, что ученые напрямую не могут проследить за тем, что происходит внутри реакторов, — мощные защитные стены не позволяют это сделать. Но, измеряя спектр антинейтрино, вылетающих при бета-распаде, можно понять, какие реакции происходят внутри реактора в данный момент, определить химический состав и т.д.

Кроме того, нейтрино может помочь нам отслеживать процессы, происходящие внутри нашей любимой звезды — Солнца. Свет, который мы видим, излучается с его поверхности, а энергия и тепло образуются внутри в результате термоядерных реакций. При этом процессе вылетают множество нейтрино; измеряя их спектр, мы можем мониторить устройство нашего Солнца и ядерные процессы, происходящие прямо сейчас в его центре.

Как проходит работа ученых в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии? Что входит в круг их исследований?

Самый известный проект Баксанской нейтринной обсерватории, связанный с нейтрино, называется SAGE — Soviet–American Gallium Experiment. Это эксперимент по регистрации солнечных нейтрино. Как уже было сказано, в результате термоядерных реакций на Солнце вылетает множество антинейтрино — их отечественные ученые и пытаются зафиксировать. В обсерватории на глубине около 4 км в закрытых резервуарах в жидком состоянии находится галлий. Поток солнечных нейтрино, пролетая через эти резервуары, «ловится» галлием, тот переходит в нестабильный изотоп германия. Подсчитывая количество производимого германия, ученые и регистрируют нейтрино уже более 20 лет.

Кроме того, в Баксанской нейтринной обсерватории проходит эксперимент по измерению потока нейтрино, образованных в результате вспышек сверхновых звезд. Хотя по человеческим меркам это редкое событие (случается примерно раз в 100 лет), в нашей Галактике последний взрыв сверхновой случился в 1987 году; ученые сумели зарегистрировать поток нейтрино оттуда. Есть несколько проектов по всему миру, которые мониторят подобные вспышки.

Два года назад был начат и успешно проведен эксперимент по обнаружению стерильных нейтрино, BEST — Baksan Experiment on Sterile Transitions. Наши ученые пытались обнаружить осцилляции нейтрино, о которых мы говорили в самом начале, и у них это получилось. Результаты эксперимента, кстати, были представлены только в конце прошлого года.

В 2015 году Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике за экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций. Почему это открытие было так важно для науки?

Нейтринные осцилляции — это переход нейтрино одного поколения в нейтрино другого поколения (аналогично для антинейтрино). Чтобы такие превращения происходили, нейтрино должны обладать массой. Однако, согласно Стандартной модели, массы у них быть не может. Это открытие показало, что знания ученых о физике элементарных частиц неполны и нуждаются в доработке.

Беседу вела Анастасия Горбатенко

Фотография перед текстом: Японские ученые в  нейтринном детекторе Супер-Камиоканде. Источник: Heise Magazine