Увидеть Никого

14 августа, 2020, 13:00 Распечатать
Отправить
Отправить

Научные работники Института ядерных исследований НАНУ принимают участие в международном исследовании нейтрино. Это может стать шагом к открытию нового типа материи.

Увидеть Никого

— Взгляни-ка на дорогу! Кого ты там видишь? — Никого, — сказала Алиса. — Мне бы такое зрение! — заметил король с завистью. — Увидеть Никого! Да еще и на таком расстоянии. Я едва способен настоящих людей при таком свете разглядеть!

Льюис Кэрролл, «Алиса в Зазеркалье» 

когда ещё Он не сотворил ни землини полейни начальных пылинок Вселенной.

Притчи Соломона

Нейтрино — начальные пылинки Вселенной?

Как образовалась наша Вселенная, из чего она состоит, какие принципы лежат в ее основе? Эти вопросы стоят первыми в списке важнейших для современной науки. Как ни странно, но путь к пониманию бесконечно большой Вселенной пролегает через исследование бесконечно малого мира элементарных частичек. И, похоже, что именно в исследованиях нейтрино — наименьшей из частичек — надеются открыть что-то по-настоящему новое, определить направление построения новой теории элементарных частичек и взаимодействий.

«Придумал» нейтрино в 1930 году австрийский физик Вольфганг Паули, чтобы «спасти» два важных закона природы — сохранения энергии и момента импульса. «Я сделал сегодня ужасную вещь, которую никогда не следует делать физику-теоретику: я предложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально», — сказал Паули своему коллеге немецкому астрофизику Вальтеру Бааде. Сомнения Паули можно понять, ведь ученые ужасно не любят нарушать принцип, известный как «Бритва Оккама»: никогда не придумывай для объяснения явлений природы ничего, что не является крайне необходимым. Ласковое имя загадочной частице («нейтрино» на итальянском означает «нейтрончик») дал итальянец Энрико Ферми, вскоре построивший теорию взаимодействия с ее участием. И лишь в 1956 году американские ученые Фредерик Райнес и Клайд Коуэн зарегистрировали нейтрино от ядерного реактора. Они написали об этом Паули, который ответил телеграммой: «Благодарю за сообщение. Все приходит к тому, кто знает как ждать».

Ученым приходится долго работать и уметь ждать. И потому немного забавно звучат новости «ученые что-то там открыли». Будто бы для того, чтобы сделать открытие, нужно всего-навсего куда-то посмотреть, хлопнуть себя по лбу, и вот оно — открытие! А на самом деле необходима длительная и трудоемкая работа многих людей, разработка и сооружение сложной аппаратуры, поиски, сомнения, пробы и ошибки…

Так и с нейтрино. Ученым пришлось приложить немало усилий, чтобы поймать нейтрино от ускорителя, от Солнца, из глубин космоса и даже от взрыва сверхновой звезды! И чтобы наконец понять: нейтрино меняется во время своего движения. Родившись в глубинах Солнца частицей одного типа (электронное нейтрино), оно достигает Земли частицами трех типов: кроме электронного, появляются мюонное и тау-лептонное. Эти названия связаны с хорошо известным электроном и его старшими братьями: мюоном и тау-лептоном (две последние частицы отличаются от электрона лишь большей массой и тем, что быстро распадаются на электрон и соответствующее нейтрино). И вот эта изменяемость (ее называют осцилляция) свидетельствует о том, что у нейтрино есть масса. За это открытие японский физик Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд получили в 2015 году Нобелевскую премию. Но массивные нейтрино совсем не вписываются в так называемую Стандартную модель элементарных частиц (ее разрабатывали почти сто лет!), в которой масса нейтрино равняется нулю.

Так вот у нейтрино есть масса. Однако ее величина остается неизвестной. Кроме того, мы не знаем, является ли она такой, как предположил британский физик Поль Дирак (частица отличается от своей античастицы), или частицей, предложенной итальянцем Этторе Майораной (частица и ее античастица ничем не отличаются). Личность Майораны (как и свойства нейтрино, которым он занимался) одна из самых загадочных в истории науки. Он родился в 1906 году в знатной сицилийской семье, с детства обнаружил незаурядный талант к математике. Никогда не жаждал признания своих научных работ, за свою короткую жизнь опубликовал всего девять научных статей. «Есть гении, такие как Галилео Галилей или Исаак Ньютон. Майорана был одним из них» — писал Энрико Ферми. Вечером 25 марта 1938 года Майорана купил билет на пароход из Палермо в Неаполь, но там он так и не появился. Несмотря на тщательные поиски (которые не закончились до сих пор), никакой достоверной информации о нем не обнаружили… Если нейтрино такое, как предполагал Этторе Майорана, то должно существовать чрезвычайно редкое радиоактивное преобразование атомных ядер: безнейтринный двойной бета-распад.

И вот именно на поиск такого распада нацелен международный эксперимент CUPID-Mo, в котором принимают участие ученые Института ядерных исследований Национальной академии наук Украины.

Международный эксперимент CUPID-Mo

Исследования двойного бета-распада могут ответить сразу на несколько очень важных вопросов: какова масса и схема массовых состояний нейтрино; выполняется ли закон сохранения так называемого лептонного числа (речь идет фактически о возможности возникновения или исчезновения электронов)? И главное — наблюдение этого распада будет свидетельствовать, что нейтрино является именно такой частицей, какой ее предвидел Майорана.

Фактически это будет открытием нового типа материи, когда элементарная частица является одновременно своей античастицей. К тому же нейтрино Майораны может объяснить одну из ключевых проблем космологии — почему в начале образования Вселенной количество материи превышало количество антиматерии. Если бы не это мизерное отличие (материи должно было быть больше всего на одну миллиардную часть), Вселенная была бы пустой, в ней было бы лишь электромагнитное излучение (радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи). Именно из этой крохотной частицы материи, оставшейся после аннигиляции (взаимного уничтожения) материи и антиматерии, и состоит сейчас вся видимая Вселенная.

Эксперимент CUPID-Mo проводится на глубине более двух километров в подземной лаборатории Модан. Лаборатория размещена в туннеле между Францией и Италией, под мощным горным массивом для защиты сверхчувствительной аппаратуры от космических лучей. Процесс безнейтринного двойного бета-распада ученые надеются зарегистрировать с помощью двадцати охлажденных до температуры всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля кристаллов молибдата лития, обогащенных изотопом молибдена-100 (именно ученые Института ядерных исследований еще в 2010 году предложили применить эти кристаллы для этого эксперимента).

Рис. 1 Кристаллы молибдата лития из обогащенного изотопа молибдена-100, смонтированные в держателях из сверхчистой меди

Рис. 2 Монтаж кристаллов выполнила Анастасия Золотарёва. Защитив магистерский диплом в ИЯИ НАН Украины, Анастасия защитила диссертацию во Франции и теперь получила позицию исследователя в постдокторантуре Лаборатории физики двух бесконечностей имени Ирен Жолио-Кюри Национального центра научных исследований Франции

Рис. 3 Работать Анастасии пришлось в условиях сверхчистой комнаты, чтобы предотвратить попадание малейших частиц пыли, что препятствовало бы работе сверхчувствительной аппаратуры

Рис. 4 Сборки с кристаллами молибдата лития, смонтированные в сверхнизкофоновом криостате в подземной лаборатории Модан во Франции. Для нормальной работы кристаллы необходимо охладить до температуры около двух сотых градуса выше абсолютного нуля, окружить толстым слоем защиты и разместить глубоко под Землей

Рис.. 5 Монтаж установки в подземной лаборатории Модан осуществляет старший научный сотрудник ИЯИ НАН Украины Денис Пода. В декабре 2019 года Денис стал инженером-исследователем Лаборатории физики двух бесконечностей имени Ирен Жолио-Кюри Национального центра научных исследований Франции

После года измерений ни одного события распада не замечено (а загадочный процесс не замечен ни в одном из многочисленных экспериментов: все они «видят лишь Никого»). Но в науке часто факт ненаблюдения чего-то бывает даже важнее наблюдения. Так и в этом случае: на основе факта ненаблюдения распада сделан вывод, что период полураспада ядра молибдена-100 в сто триллионов раз больше, чем возраст Вселенной, а нейтрино по меньшей мере в миллион раз легче электрона! Эксперимент был подготовлен и проведен большой международной колаборацией ученых из двадцати семи институтов и университетов Франции, США, Украины, России, Италии, Китая и Германии. Вклад украинских ученых, кроме собственно идеи применения кристаллов молибдата лития, заключается в анализе данных, моделировании отзыва измерительной аппаратуры на разные излучения.

Эксперимент CUPID-Mo практически завершен, но он является лишь промежуточным шагом в разработке крупномасштабного проекта CUPID, в котором планируется увеличить массу исследуемого изотопа почти в сто раз с целью наблюдать эффект в случае если нейтрино является частицей Майораны, в несколько десятков миллионов более легкой, чем электрон.

Зачем нам наука?

Читатель может спросить: а какая практическая польза от всего этого? Никакой. Еще раз, никакой пользы от фундаментальной науки ожидать не нужно. Потому что это не ее задача. И недаром ученые, открывшие вещи, которые определяют современную цивилизацию (электричество, транспорт, медицину, радиосвязь, все эти GPS с лазерами и интернетами), были убеждены, что никакой практической пользы от их открытий ожидать не стоит. Например, Генрих Герц (открыл радиоволны в 1887 году) считал, что его открытие не будет иметь применения: «Это абсолютно напрасно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которых не можем видеть глазом, но они есть». — «И что же дальше?» — спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромным человеком, без особых претензий и амбиций: «Я думаю, ничего».

Цель науки — познание. Это, если хотите, задание Бога людям, это то, что отличает человека от животных. Способность познавать себя, общество и его историю, окружающий мир, изначальные пылинки Вселенной…

Оставайтесь в курсе последних событий! Подписывайтесь на наш канал в Telegram
Заметили ошибку?
Пожалуйста, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter или Отправить ошибку
ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ
Текст содержит недопустимые символы
ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ
Осталось символов: 2000
Отправить комментарий
Последний Первый Популярный Всего комментариев: 0
Показать больше комментариев
Пожалуйста выберите один или несколько пунктов (до 3 шт.) которые по Вашему мнению определяет этот коментарий.
Пожалуйста выберите один или больше пунктов
Нецензурная лексика, ругань Флуд Нарушение действующего законодательства Украины Оскорбление участников дискуссии Реклама Разжигание розни Признаки троллинга и провокации Другая причина Отмена Отправить жалобу ОК