Нобелевская премия по физике 2015 за открытие нейтринных осцилляций
6 октября 2015 года Королевская Шведская Академия наук решила присудить Нобелевскую премию по физике 2015 года
Такааки Каджите
Коллаборация Супер-Камиоканде
Университет Токио, Кашива, Япония
и
Артуру Б. МакДональду
Коллаборация Нейтринных наблюдений в Садбери
Университет Королевы, Кингстон, Канада
"за открытие нейтринных осцилляций, которое показало, что нейтрино имеют массу".
К началу тридцатых годов физикам было известно небольшое количество элементарных частиц: электрон, протон, нейтрон, фотон. Первые три образуют атомы веществ, в то время как фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, которое удерживает электроны в атомах. Будучи в свободном состоянии, эти частицы абсолютно стабильны, за исключением нейтрона. Он, примерно за 15 минут, распадается на протон и электрон. В 1930 году итальянский физик-теоретик Вольфганг Паули обратил внимание, что при таком распаде нейтрона не сохраняется энергия, импульс и угловой момент. Чтобы обойти этот довольно неприятный казус, он предположил, что нейтрон распадается на три частицы: протон, электрон и нейтрино. Последняя нужна для того, чтобы восстановить законы сохранения в этом процессе. Кстати, название "нейтрино" (с итальянского - маленький нейтрончик), придумал другой великий итальянский физик - Энрико Ферми.
Нейтрино - очень загадочная частица. Она не имеет электрического и цветного зарядов, а значит не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях. Ее очень тяжело обнаружить в эксперименте. Подавляющее число нейтрино, приходящих от Солнца на Землю, проскакивает сквозь нашу планету словно метеор через космическое пространство. Расстояния, на которых нейтрино вступает в слабое взаимодействие, намного меньше размера атомного ядра.
Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования в области элементарных частиц установили, что помимо электрона, существуют еще две, похожие на него, частицы, только намного тяжелее. Они имеют название мюон и тау-лептон. Для каждого из них существует свое нейтрино - мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Эти шесть частиц (а также их шесть античастиц) называются лептонами и образуют три поколения лептонов.
Послевоенные 50-60-е годы стали эпохой бурного развития физики элементарных частиц и квантовой теории поля. В это время была построена Теория Вайнберга-Салама, объединившая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно единое электрослабое. Нечто подобное совершил в конце XIX века Джеймс Максвелл, создавший единую теорию электричества и магнетизма. В теории Вайнберга-Салама нейтрино играют важную роль. Они взаимодействуют с другими лептонами посредством обмена промежуточными W и Z бозонами. Сама теория и ее экспериментальное подтверждение дали мощный толчок развитию физики нашего времени. Это, в частности, подтвердил и Нобелевский комитет. Много физиков, принявших участие в разработке и подтверждении этой теории, были отмечены Нобелевскими премиями. Это, конечно Стивен Вайнберг с Абдусом Саламом, а также Шэлдон Глэшоу (НП 1979 года). Экспериментальное открытие промежуточных W и Z бозонов стало триумфом теории электрослабого взаимодействия. За это Карло Рубиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию в 1984 году. Почти через 10 лет, в 1995 году Фредерик Райнес "за обнаружение нейтрино" получает свою Нобелевскую премию, вместе с Мартином Перлом, который открыл тау-лептон. А через четыре года Герард д'Хоофт и Мартинус Велтман тоже были приглашены в Стокгольм для получения этой престижной премии "за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий". Ну и наконец, два года назад теория Вайнберга-Салама получила окончательное подтверждение. Была открыта "частица Бога" , или, как ее называют физики теоретики скаляр (бозон) Хиггса. В 2013 году Питер Хиггс вместе с Франсуа Энглером получили за это свою Нобелевскую премию.
В теории Вайнберга-Салама изначально предполагалось, что нейтрино имеют нулевую массу. Это нужно для того, чтобы обеспечить "нормальное" теоретическое описание электрослабого взаимодействия. А именно - перенормированное. Объяснить на пальцах что такое перенормировка очень трудно. Пусть мы описываем некоторое квантовое поле, взаимодействующее с другим квантовым полем. Чем-то это описание напоминает игроков в баскетбол. Они пасуют мяч один другому и таким образом взаимодействуют друг с другом. Представим себе, что на пути между игроком А и В вдруг появляется игрок С. Тогда, он может перехватить баскетбольный мяч, перебросится несколько раз со своим другом игроком D, и, наконец, вернуть мяч игроку В. Оказывается, что если ограничиться описанием непосредственного перебрасывания мяча от А к В, в квантовой теории поля можно получить результат, неплохо согласующийся с экспериментальными данными. Но как только мы начнем учитывать перебрасывания между большим количеством игроков, мы получим бесконечность в своих расчетах. Сведение бесконечного результата к конечному и называется перенормировкой. Не каждое взаимодействие перенормируемо. Так, например, гравитация является неперенормируемой теорией и представляет, поэтому, большую головную боль для физиков-теоретиков всего мира.
Оказывается, что ввести в теорию Вайнберга-Салама перенормированное взаимодействие, которое могло бы дать массу нейтрино, а заодно и нарушить закон сохранения лептонного числа, нельзя. От массового члена в лагранжиане отмахивался любой физик-теоретик, ибо это нарушало перенормируемость теории.
Однако, если нейтрино все же имеет массу, то можно наблюдать удивительное явление - осцилляции нейтрино. Оно состоит в том, что при пролете большого расстояния (несколько километров, а для нейтрино это просто огромные расстояния) один вид нейтрино может переходить в другой. А таковых, как мы уже знаем, существует аж три вида: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
В 1998 группа Супер-Каамоканде сообщила о наблюдении нейтринных осцилляций в атмосфере. Ссылка на статью. Через три года канадская группа ученых также объявила о наблюдении нейтринных осцилляций, только теперь в приходящих к нам от Солнца пучков нейтрино. Еще одна статья по этому поводу. По доброй традиции Американского физического общества, статьи ученых, получивших за свои исследования Нобелевские премии, открываются в публичный доступ.
Итак, нейтрино имеют массу. Теория Вайнберга-Салама уже не в силах объяснить этот феномен (нельзя построить перенормированную теорию). А это значит, что поиск истины продолжается. Наука ждет новых гениев, чтобы объяснить новые загадки, открывшиеся перед человечеством.
Ссылки.
Такааки Каджите
Коллаборация Супер-Камиоканде
Университет Токио, Кашива, Япония
и
Артуру Б. МакДональду
Коллаборация Нейтринных наблюдений в Садбери
Университет Королевы, Кингстон, Канада
"за открытие нейтринных осцилляций, которое показало, что нейтрино имеют массу".
К началу тридцатых годов физикам было известно небольшое количество элементарных частиц: электрон, протон, нейтрон, фотон. Первые три образуют атомы веществ, в то время как фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, которое удерживает электроны в атомах. Будучи в свободном состоянии, эти частицы абсолютно стабильны, за исключением нейтрона. Он, примерно за 15 минут, распадается на протон и электрон. В 1930 году итальянский физик-теоретик Вольфганг Паули обратил внимание, что при таком распаде нейтрона не сохраняется энергия, импульс и угловой момент. Чтобы обойти этот довольно неприятный казус, он предположил, что нейтрон распадается на три частицы: протон, электрон и нейтрино. Последняя нужна для того, чтобы восстановить законы сохранения в этом процессе. Кстати, название "нейтрино" (с итальянского - маленький нейтрончик), придумал другой великий итальянский физик - Энрико Ферми.
Нейтрино - очень загадочная частица. Она не имеет электрического и цветного зарядов, а значит не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях. Ее очень тяжело обнаружить в эксперименте. Подавляющее число нейтрино, приходящих от Солнца на Землю, проскакивает сквозь нашу планету словно метеор через космическое пространство. Расстояния, на которых нейтрино вступает в слабое взаимодействие, намного меньше размера атомного ядра.
Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования в области элементарных частиц установили, что помимо электрона, существуют еще две, похожие на него, частицы, только намного тяжелее. Они имеют название мюон и тау-лептон. Для каждого из них существует свое нейтрино - мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Эти шесть частиц (а также их шесть античастиц) называются лептонами и образуют три поколения лептонов.
Послевоенные 50-60-е годы стали эпохой бурного развития физики элементарных частиц и квантовой теории поля. В это время была построена Теория Вайнберга-Салама, объединившая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно единое электрослабое. Нечто подобное совершил в конце XIX века Джеймс Максвелл, создавший единую теорию электричества и магнетизма. В теории Вайнберга-Салама нейтрино играют важную роль. Они взаимодействуют с другими лептонами посредством обмена промежуточными W и Z бозонами. Сама теория и ее экспериментальное подтверждение дали мощный толчок развитию физики нашего времени. Это, в частности, подтвердил и Нобелевский комитет. Много физиков, принявших участие в разработке и подтверждении этой теории, были отмечены Нобелевскими премиями. Это, конечно Стивен Вайнберг с Абдусом Саламом, а также Шэлдон Глэшоу (НП 1979 года). Экспериментальное открытие промежуточных W и Z бозонов стало триумфом теории электрослабого взаимодействия. За это Карло Рубиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию в 1984 году. Почти через 10 лет, в 1995 году Фредерик Райнес "за обнаружение нейтрино" получает свою Нобелевскую премию, вместе с Мартином Перлом, который открыл тау-лептон. А через четыре года Герард д'Хоофт и Мартинус Велтман тоже были приглашены в Стокгольм для получения этой престижной премии "за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий". Ну и наконец, два года назад теория Вайнберга-Салама получила окончательное подтверждение. Была открыта "частица Бога" , или, как ее называют физики теоретики скаляр (бозон) Хиггса. В 2013 году Питер Хиггс вместе с Франсуа Энглером получили за это свою Нобелевскую премию.
В теории Вайнберга-Салама изначально предполагалось, что нейтрино имеют нулевую массу. Это нужно для того, чтобы обеспечить "нормальное" теоретическое описание электрослабого взаимодействия. А именно - перенормированное. Объяснить на пальцах что такое перенормировка очень трудно. Пусть мы описываем некоторое квантовое поле, взаимодействующее с другим квантовым полем. Чем-то это описание напоминает игроков в баскетбол. Они пасуют мяч один другому и таким образом взаимодействуют друг с другом. Представим себе, что на пути между игроком А и В вдруг появляется игрок С. Тогда, он может перехватить баскетбольный мяч, перебросится несколько раз со своим другом игроком D, и, наконец, вернуть мяч игроку В. Оказывается, что если ограничиться описанием непосредственного перебрасывания мяча от А к В, в квантовой теории поля можно получить результат, неплохо согласующийся с экспериментальными данными. Но как только мы начнем учитывать перебрасывания между большим количеством игроков, мы получим бесконечность в своих расчетах. Сведение бесконечного результата к конечному и называется перенормировкой. Не каждое взаимодействие перенормируемо. Так, например, гравитация является неперенормируемой теорией и представляет, поэтому, большую головную боль для физиков-теоретиков всего мира.
Оказывается, что ввести в теорию Вайнберга-Салама перенормированное взаимодействие, которое могло бы дать массу нейтрино, а заодно и нарушить закон сохранения лептонного числа, нельзя. От массового члена в лагранжиане отмахивался любой физик-теоретик, ибо это нарушало перенормируемость теории.
Однако, если нейтрино все же имеет массу, то можно наблюдать удивительное явление - осцилляции нейтрино. Оно состоит в том, что при пролете большого расстояния (несколько километров, а для нейтрино это просто огромные расстояния) один вид нейтрино может переходить в другой. А таковых, как мы уже знаем, существует аж три вида: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
В 1998 группа Супер-Каамоканде сообщила о наблюдении нейтринных осцилляций в атмосфере. Ссылка на статью. Через три года канадская группа ученых также объявила о наблюдении нейтринных осцилляций, только теперь в приходящих к нам от Солнца пучков нейтрино. Еще одна статья по этому поводу. По доброй традиции Американского физического общества, статьи ученых, получивших за свои исследования Нобелевские премии, открываются в публичный доступ.
Итак, нейтрино имеют массу. Теория Вайнберга-Салама уже не в силах объяснить этот феномен (нельзя построить перенормированную теорию). А это значит, что поиск истины продолжается. Наука ждет новых гениев, чтобы объяснить новые загадки, открывшиеся перед человечеством.
Ссылки.
- Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos
- Measurement of the Rate of νe+d→p+p+e− Interactions Produced by B8 Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory
- Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory