Нобель-2015: Мистические превращения нейтрино помогут найти инопланетян

Лауреатами Нобелевской премии по физике стали в этом году японец Такааки Кадзита и канадский исследователь Артур Б. Макдональд. Они поделят сумму в 8 млн шведских крон. Ученым присуждена награда за экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций - превращения нейтрино одного типа в другой (всего их три - электронное, мюонное или таонное нейтрино). Осцилляции показывают, что эти частицы имеют массу, что позволит использовать их в самых разных сферах, от исследования космоса до создания принципиально новых средств коммуникации.

Нейтрино -  электрически нейтральные элементарные частицы, которые возникают в результате ядерных реакций, рождаются на Солнце или попадают на Землю с космическими лучами. Их источниками являются высокоэнергетические события во Вселенной: взрывы сверхновых, черные дыры и процессы, происходящие в плотных ядрах больших галактик. Эти частицы также могут возникать в искусственно созданных условиях, на земных ядерных реакторах.

Нейтрино обладают очень малой массой и не имеют электрического заряда, поэтому беспрепятственно проходят через любую материю, в частности, способны легко пролететь сквозь Землю. О том, что эти частицы осциллируют, в результате чего превращаются друг в друга, ученые узнали еще 1957 году. Работу на эту тему опубликовал советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво, который работал в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований. Заслуга нынешних лауреатов, Кадзиты и Макдональда, состоит в том, что они факт превращения нейтрино друг в друга доказали экспериментально.

Опыты, проводимые до того в разных научных лабораториях, показывали, что от Солнца приходит лишь примерно треть от изначального количества определенного типа нейтрино. Куда деваются остальные, было непонятно. Этот парадокс тревожил ученых почти полвека и именно Понтекорво предложил правильное объяснение, состоявшее в том, что нейтрино может превращаться из одного вида в другой. Шесть лет спустя ученый получил за это Ленинскую премию, а через 58 лет Кадзита и Макдональд подтвердили теорию в процессе работы на современных ядерных реакторах.

Такааки Кадзита из Университета Токио, директор Института исследования космических лучей, проводит свои исследования на нейтринном детекторе Super-Kamiokande (Super-K). Он был построен в 1996 году для поиска гипотетического распада протона, изучения нейтрино, а также регистрации нейтринных вспышек сверхновых. Детектор размещен в лаборатории на глубине в 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км от Токио.

Артур Б. Макдональд является заслуженным профессором канадского Университета Квинс, много лет работал в Калифорнийском технологическом университете в Пасадене. В 2004 году он стал лауреатом премии имени Понтекорво, присуждаемой Объединенным институтом ядерных исследований за заслуги в области физики элементарных частиц. Макдональд был награжден именно за доказательство осцилляций солнечных нейтрино в эксперименте Нейтринной обсерватории в Садбэри, расположенной в выработанном никелевом руднике на глубине около 2 км.

В своих последних экспериментах Кадзита и Макдональд научились мерить и электронные, и мюонные нейтрино, изначально зная направление прихода этих частиц и расстояние до точки, где первичная частица вошла в атмосферу. Так удалось отследить, как меняется соотношение мюонных и электронных нейтрино в зависимости от пройденного ими расстояния, то есть, процесс осцилляции. Если в какой-то точке родилось мюонное нейтрино, то можно сказать, сколько электронных и мюонных нейтрино будет в потоке через километр.

Физикам удалось доказать, что уникальные свойства нейтрино связаны именно с осцилляциями, а не с необычными процессами на Солнце, как предполагалось ранее. Разница между работами Кадзиты и Макдональда состояла в том, что японский эксперимент ловил высокоэнергичные нейтрино энергий выше 1 ГэВ, тогда как  канадский - менее энергичные частицы, приходившие от Солнца. Исследования показали, что поскольку нейтрино превращаются друг в друга, то они имеют массу, причем каждое поколение - свою (иначе трансформации были бы невозможны).

До того считалось, что эти частицы невесомы. Ученые говорят, что доказательство теории Пантекорво требует пересмотра принципов Стандартной модели, в которой, к слову, немало "слабых мест". В частности, она не объясняет наличие и происхождение темной материи во Вселенной. Возможно, обнаружение массы у нейтрино поможет разгадать тайны темной материи. Кроме того, это объяснит асимметрию между материей и антиматерией и некоторые процессы, происходящие на Солнце. Нейтрино помогут заглянуть и в дальний космос, находить новые астрономические объекты. Астрономы говорят, что именно нейтринные пучки могут помочь связаться с цивилизациями по другую сторону нашей Галактики.

Кроме того, открытие может иметь прикладное, "земное" применение. Так, использование нейтрино, по мнению ученых, даст возможность повысить скорость передачи информации до 100 бит/с даже на больших глубинах. То есть позволит исследовать недра земли и океанов. С помощью нейтринного телефона можно передавать сообщения из США и Европы в Китай, Японию и Австралию на 15-20 миллисекунд быстрее, чем по обычным каналам, - напрямую через толщу Земли, а не по кабелям или спутниковой связи.

Как обычно, некоторые скептики сомневаются, стоило ли подтверждение открытия, сделанного еще в 1957 году, Нобелевской премии. Возможно, стоило профинансировать проекты в области физики, которые могут иметь практическое применение уже сегодня, как, например, успешные эксперименты, связанные с созданием нанороботов, квантовых и оптических компьютеров, лазеров нового поколения, революционных материалов и т.п. Весьма сдержанно, кстати, мировое научное сообщество отнеслось и к выбору Нобелевского комитета в прошлом году, когда премию получило изобретение эффективных диодов синего свечения, создающих энергосберегающие источники белого света. Тогда "нобелевцами" по физике стали трое японских ученых: Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура.

Кстати, премия по физике  - очередное фиаско Thomson Reuters. Перед объявлением лауреатов компания пророчила победу в области физики 2015 года Полу Коркуму и Ференцу Каушу за вклад в развитие аттосекундной физики. Это область фундаментальной науки, но получаемые результаты уже сейчас имеют практическое значение. Например, зная о том, как движутся электроны, можно повысить КПД солнечных элементов. Медики могут наблюдать за тем, как та или иная болезнь развивается еще на молекулярном уровне и эффективно ли организм усваивает вводимые в него лекарства. Биотехнологи выяснят, как в разрабатываемых ими биологических системах электроны будут взаимодействовать с лучами света. Открытия в области аттосекундной физики важны для создания сверхскоросных компьютеров, а аттосекундные лазеровы помогут регистрировать движение электронов и изучать процессы на глубинном уровне.

Среди потенциальных кандидатов на физического Нобеля также была Дебора Джин, получившая первый фермионный конденсат (шестое состояние вещества после таких состояний как твердое тело, жидкость, газ, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна). В перспективе эта наработка может использоваться для создания новых сверхпроводящих материалов. Среди фаворитов Thomson Reuters был и Чжун Линь Ван, изобретатель пьезотронного и пьезофототронного наногенераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Претендовали на Нобеля, по мнению специалистов, также Вера Рубин и Кент Форда, открывшие темную материю, Мишель Майора, нашедший первую экзопланету и другие.