У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)

Нобелівську премію в галузі фізики в 2015 році присуджено Артуру Макдональду (Канада) і Такаакі Кадзіті (Японія) «за відкриття осциляцій нейтрино, які свідчать про те, що у нейтрино є маса». Це — перший ефект за рамками Стандартної моделі елементарних частинок, значення якого для подальшого розвит...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Даневич, Ф.А., Кобичев, В.В., Третяк, В.І.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2015
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Статті та огляди
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/95546
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.) / Ф.А. Даневич, В.В. Кобичев, В.І. Третяк // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-95546
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-955462016-02-29T03:02:19Z У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.) Даневич, Ф.А. Кобичев, В.В. Третяк, В.І. Статті та огляди Нобелівську премію в галузі фізики в 2015 році присуджено Артуру Макдональду (Канада) і Такаакі Кадзіті (Японія) «за відкриття осциляцій нейтрино, які свідчать про те, що у нейтрино є маса». Це — перший ефект за рамками Стандартної моделі елементарних частинок, значення якого для подальшого розвитку науки важко переоцінити. У статті коротко викладено історію досліджень нейтрино і слабкої взаємодії, зокрема тих, які у 2015 р. були відзначені Нобелівською премією. Обговорюється внесок українських учених у нейтринні дослідження, перспективи їх участі у великих міжнародних нейтринних проектах. Нобелевская премия по физике в 2015 году присуждена Артуру Макдональду (Канада) и Такааки Кадзите (Япония) «за открытие осцилляций нейтрино, которые свидетельствуют о том, что у нейтрино есть масса». Это — первый эффект за рамками Стандартной модели элементарных частиц, значение которого для дальнейшего развития науки трудно переоценить. В статье кратко изложена история исследований нейтрино и слабого взаимодействия, в частности тех, которые в 2015 году были отмечены Нобелевской премией. Обсуждается вклад украинских ученых в нейтринные исследования, перспективы их участия в крупных международных нейтринных проектах. The Nobel Prize in Physics 2015 was awarded jointly to Arthur B. McDonald (Canada) and Takaaki Kajita (Japan) “for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass.” Observation of the neutrino oscillations is the first effect beyond the Standard Model of elementary particles, whose role for the further development of science is exceptionally important. The main steps of the neutrino and the weak interaction investigations, in particular of those awarded by the Nobel Prize in 2015, are presented. The contribution of the Ukrainian scientists to neutrino researches, prospects for their participation in the current and future international neutrino projects are briefly discussed. 2015 Article У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.) / Ф.А. Даневич, В.В. Кобичев, В.І. Третяк // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 25 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/95546 539.165.8 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Даневич, Ф.А. Кобичев, В.В. Третяк, В.І. У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.) Вісник НАН України
description	Нобелівську премію в галузі фізики в 2015 році присуджено Артуру Макдональду (Канада) і Такаакі Кадзіті (Японія) «за відкриття осциляцій нейтрино, які свідчать про те, що у нейтрино є маса». Це — перший ефект за рамками Стандартної моделі елементарних частинок, значення якого для подальшого розвитку науки важко переоцінити. У статті коротко викладено історію досліджень нейтрино і слабкої взаємодії, зокрема тих, які у 2015 р. були відзначені Нобелівською премією. Обговорюється внесок українських учених у нейтринні дослідження, перспективи їх участі у великих міжнародних нейтринних проектах.
format	Article
author	Даневич, Ф.А. Кобичев, В.В. Третяк, В.І.
author_facet	Даневич, Ф.А. Кобичев, В.В. Третяк, В.І.
author_sort	Даневич, Ф.А.
title	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)
title_short	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)
title_full	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)
title_fullStr	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)
title_full_unstemmed	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)
title_sort	у нейтрино є маса (нобелівська премія з фізики 2015 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/95546
citation_txt	У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.) / Ф.А. Даневич, В.В. Кобичев, В.І. Третяк // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT danevičfa unejtrinoêmasanobelívsʹkapremíâzfíziki2015r AT kobičevvv unejtrinoêmasanobelívsʹkapremíâzfíziki2015r AT tretâkví unejtrinoêmasanobelívsʹkapremíâzfíziki2015r
first_indexed	2025-07-07T02:24:46Z
last_indexed	2025-07-07T02:24:46Z
_version_	1836953200589012992
fulltext	20 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (1) ТРЕТЯК Володимир Ілліч — кандидат фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень НАН України УДК 539.165.8 У НЕЙТРИНО Є МАСА Нобелівська премія з фізики 2015 р. Нобелівську премію в галузі фізики в 2015 році присуджено Артуру Макдо- нальду (Канада) і Такаакі Кадзіті (Японія) «за відкриття осциляцій ней- трино, які свідчать про те, що у нейтрино є маса». Це — перший ефект за рамками Стандартної моделі елементарних частинок, значення якого для подальшого розвитку науки важко переоцінити. У статті коротко викла- дено історію досліджень нейтрино і слабкої взаємодії, зокрема тих, які у 2015 р. були відзначені Нобелівською премією. Обговорюється внесок укра- їнських учених у нейтринні дослідження, перспективи їх участі у великих міжнародних нейтринних проектах. Ключові слова: нейтрино, слабка взаємодія, маса нейтрино, нейтринна астрофізика, низькофоновий експеримент. «Я зробив сьогодні жахливу річ. Фізику-теоретику ніколи не слід такого робити. Я запропонував щось таке, чого ніколи не можна буде перевірити експериментально», — сказав австрій- ський фізик Вольфганг Паулі німецькому астрофізику Вальте- ру Бааде на конференції з фізики в Римі наприкінці 1931 р. Па- улі запропонував нову частинку, яка мала випромінюватися у бета-розпаді атомних ядер разом з електроном і яка «рятувала» одразу два фундаментальні закони фізики: збереження енергії і моменту імпульсу. Ця частинка, яка не мала електричного за- ряду (а тому, на думку Паулі, не могла бути спостереженою), повинна бути дуже легкою. Вона несла частину енергії розпаду і мала спін (власний момент імпульсу), які, здавалося, просто щезали у β-розпаді. Сумніви Паулі можна зрозуміти, адже вче- ні так не люблять порушувати принцип, відомий як «бритва Оккама»: не припускати нічого, що не є вкрай необхідним! Та ще й такого, що неможливо перевірити в експерименті! Проте в цьому разі геніальний теоретик, відомий своєю дивакуватою поведінкою та іронічним ставленням до експериментаторів, таки недооцінив своїх колег. Але про це — трошки пізніше. Між тим, уже через рік блискучий Енріко Фермі, викорис- товуючи ідею Паулі, розробив теорію β-розпаду і дав таке гар- не ім’я новій частинці — «нейтрино», що італійською означає «нейтрончик». Для цього йому довелося припустити існування нової взаємодії, яку він цілком логічно назвав «слабкою». Дій- doi: 10.15407/visn2016.01.020 ДАНЕВИЧ Федір Анатолійович — доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України КОБИЧЕВ Владислав Валерійович— кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Інституту ядерних досліджень НАН України ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 1 21 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ сно, оцінки показували, що нова взаємодія в мі- льярди разів слабкіша за електромагнітну вза- ємодію і у десятки тисяч мільярдів — за сильну. Слабка взаємодія проявляється в β-розпадах атомних ядер та в деяких взаємодіях частинок. Отже, з’явилася надія, що нейтрино, незважаю- чи на надзвичайно малу інтенсивність взаємо- дії з матерією, все-таки можна зареєструвати в експерименті. Для цього знадобився ядерний реактор (який є потужним джерелом нейтри- но через величезну β-радіоактивність ядер, що утворюються в результаті поділу урану) і над- звичайно чутливий детектор, розміщений за кілька метрів біля активної зони реактора і ре- тельно захищений від його потужного γ- і ней- тронного випромінювання. Експерименти, в яких було підтверджено існування нейтрино, у 1950-х роках виконали американські вчені Фредерік Райнес (Frederick Reines) і Клайд Ко- уен (Clyde Cowan). У 1995 р. Ф. Райнеса за це відкриття було удостоєно Нобелівської премії. Вагомий внесок у дослідження нейтрино і слабкої взаємодії зробили американські фі- зики китайського походження Чжаньнін Ян (Chen-Ning Yang) та Цзундао Лі (Tsung-Dao Lee), які у 1956 р. звернули увагу на те, що в слабких взаємодіях може порушуватися про- сторова парність [1]. А вже рік потому це при- пущення було блискуче підтверджено в зна- менитому експерименті, здійсненому групою під керівництвом Цзяньсюн Ву (Chien-Shiung Wu), також китаянки, яка на той час уже пра- цювала у США. Ву та її співробітники показа- ли, що в β-розпаді ядра 60Co електрони випро- мінюються переважно в напрямку, протилеж- ному спіну ядер кобальту [2]. Як виявилося згодом, частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії, завжди є «лівими», тобто такими, в яких спін завжди спрямований проти напрям- ку руху. Одночасно з дослідами Ву інша група вчених за допомогою циклотрона дослідила розпади мюонів і також знайшла явний ефект порушення парності [3]. Ці властивості слабкої взаємодії виділяли її серед інших відомих на той час взаємодій: електромагнітної, сильної і гравітаційної, адже в цих взаємодіях парність не порушується. Інакше кажучи, дослідник не зміг би зрозуміти, що він перебуває в іншому, уявному «дзеркальному» світі, допоки він не почав би експерименти, в яких проявляється слабка взаємодія. Більше того, в експеримен- тах на прискорювачах з К-мезонами було ви- явлено слабке порушення парності в комбіна- ції із зарядовим спряженням (порушення CP- інваріантності). Отже, ми можемо бачити, що вже в середині ХХ ст. дослідження нейтрино і слабкої взаємодії приводили до спостережен- ня нових явищ і властивостей матерії. Упродовж тривалого часу відкритим було питання про масу нейтрино. Взагалі, маса частинок залишається загадкою для фізики елементарних частинок. У рамках так званої Стандартної моделі маси частинок є вільними параметрами, які необхідно вимірювати, їх не- можливо отримати в розрахунках, спираючись на наші знання про матерію, простір і час. Так само і константи всіх відомих взаємодій (елек- тромагнітної, сильної, слабкої і гравітаційної) залишаються вільними параметрами Стан- дартної моделі, що є одним із важливих аргу- ментів вважати цю модель наближеною, та- кою, що потребує побудови більш досконалої теорії. Така теорія, до того ж, мала б об’єднати всі відомі взаємодії (в тому числі гравітацію), пояснити існування трьох поколінь лептонів і кварків, баріонну асиметрію Всесвіту, приро- ду темної матерії і темної енергії та цілу низку інших проблем фізики елементарних части- нок і космології. Саме тому кажуть, що серед елементарних частинок нейтрино є ключовою частинкою. Проте чому саме нейтрино, а не електрон чи, наприклад, t-кварк або джей-псі- мезон? Нейтринна фізика цікава і важлива тому, що саме експерименти з нейтрино вияв- ляють щось принципово нове, а не просто вимі- рюють певні параметри з усе більшою точністю або дають дедалі більш жорсткі обмеження на ефекти за межами існуючих моделей [4]. Однак повернемося до маси нейтрино. Спроби виміряти її розпочалися вже у 1950-х роках, зокрема в дослідженнях β-спектра три- тію поблизу максимальної енергії електронів. Адже, якщо нейтрино має масу, максимальна енергія електронів буде меншою саме на вели- 22 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (1) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ чину маси нейтрино. У середині 1980-х років наукову спільноту сколихнули повідомлення В.О. Любімова та його колег з московського Інституту теоретичної і експериментальної фізики про спостереження дуже малої, але не нульової маси нейтрино в інтервалі 14 < mν < < 46 еВ [5]. Цю новину бурхливо обговорюва- ли на всіх нейтринних конференціях, а кілька дослідницьких груп одразу взялися повторити експеримент радянських учених. Однак по- ступово з’ясувалося, що повідомлення було помилковим. Проаналізували також і при- чини помилок, зокрема того факту, що майже всі експерименти давали негативне значення квадрата маси нейтрино, що виглядало явно нефізичним результатом [6—10]. Постійні вдо- сконалення установок, подібних за принци- пом роботи до тих, що використовувала група Любімова, дозволили на сьогодні встановити верхню межу на масу нейтрино — близько 2 еВ [11, 12]. Зараз у Технологічному університеті Карлсруе в Німеччині вже споруджена і готу- ється до пуску колосальна за своїми розміра- ми і технічними характеристиками установка KATRIN, яка має перевірити наявність маси у нейтрино із ще на порядок величини більшою чутливістю (читач може ознайомитися із су- часним станом і перспективами експеримен- тальних досліджень маси нейтрино в β-розпа ді в прекрасному огляді [13]). Хоча те давнє повідомлення про спостере- ження маси нейтрино і виявилося помилко- вим, воно, як це часто буває у науці, активі- зувало дослідження властивостей нейтрино від реакторів, прискорювачів, з верхніх шарів атмосфери, від Сонця і навіть від вибухів дале- ких наднових зірок. Спроби зареєструвати сонячні нейтрино розпочалися ще на початку 1960-х років, коли американський хімік і фізик Раймонд Девіс (Raymond Davis) та його співробітники побу- дували на глибині майже 1,5 км у шахті Хоум- стейк (штат Південна Дакота) величезну як на той час установку, що містила понад 600 т пер- хлоретилену (рис. 1). Ідея, запропонована сво- го часу Бруно Понтекорво, полягала в реєстра- ції розпадів ядер аргону-37, продукту взаємодії нейтрино з ядрами хлору-37. Завдяки значним відмінностям у фізико-хімічних властивостях хлору і аргону навіть дуже малу кількість Ar порівняно легко зібрати, виділивши з вели- кої кількості хлору. Розташування чутливого детектора глибоко під землею було необхідне для зменшення ймовірності фонового утво- рення ядер 37Ar під дією космічних променів. Періодично вчені екстрагували з перхлор ети- лену утворений під дією нейтрино радіоак- тивний аргон і вимірювали його активність за допомогою маленького, об’ємом усього кілька кубічних сантиметрів, надзвичайно чутливого газового лічильника, виготовленого із кварцу та інших чистих з точки зору радіоактивності матеріалів. Це було потрібно для вимірювання надзвичайно малої активності 37Ar — близько одного розпаду за добу. Результат виявився дивним — виміряна активність аргону-37 була приблизно втричі меншою за очікувану. Рис. 1. Установка Девіса для реєстрації сонячних ней- трино у шахті Хоумстейк (Південна Дакота, США). Джерело: Tufts University (http://www.tufts.edu/) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 1 23 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Учені ретельно перевіряли експерименталь- не обладнання і теоретичні розрахунки потоку нейтрино від Сонця, основані на астрономіч- них даних про його масу, розміри і температуру поверхні, а також ядерно-фізичні дані про ре- акції термоядерного синтезу легких елементів. Р. Девісу і його співробітникам знадобилося 25 років, щоб довести і собі, і науковому співто- вариству, що потік електронних нейтрино від Сонця насправді втричі менший за теоретич- но очікуваний. Цю розбіжність стали називати проблемою дефіциту сонячних нейтрино. Дослідники будували все складніші й більші детектори, щоб якомога точніше виміряти по- токи та спектри нейтрино від реакторів і з верх- ніх шарів атмосфери. У 1980-х роках у Японії у шахті Каміока на глибині близько 1 км було споруджено величезний детектор KamiokaNDE. Принцип його дії був оснований на ефекті Че- ренкова — випромінюванні світла у середовищі, коли заряджена частинка проходить через ньо- го зі швидкістю, більшою за швидкість світла у цьому середовищі (це аж ніяк не порушує заса- ди теорії відносності, оскільки абсолютна забо- рона стосується лише перевищення вакуумної швидкості світла, а світлова хвиля, наприклад, у воді розповсюджується на чверть повільні- ше, ніж у вакуумі). Детектор являв собою ци- ліндричний резервуар розмірами приблизно 16×16 м, який містив 3 тис. т надчистої води; на його внутрішній поверхні було встановлено близько тисячі фотоелектронних помножу- вачів. Хоча детектор KamiokaNDE будували з метою пошуку не менш важливого фізичного явища — розпаду протону (до речі, усе ще не спостереженого!), він виявився чутливим та- кож і до так званих атмосферних нейтрино, які виникають у верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів. Результати вимірювань на детекторі Kamio- kaNDE свідчили про те, що отримане співвід- ношення між потоками різних типів нейтрино (електронних і мюонних) також відрізняється від передбаченого теоретично. Виміряне спів- відношення, подібно до результатів Девіса із сонячними нейтрино, вказувало на дефіцит нейтрино — на цей раз мюонних. А ще, 23 люто- Рис. 2. Схема детектора Super-Kamiokande. На фото внизу показано, як фізики на човні здійснюють перевір- ку фотоелектронних помножувачів усередині детекто- ра (публікується з дозволу Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo) го 1987 р. детектор KamiokaNDE зареєстрував нейтрино від вибуху наднової зірки SN1987A у Великій Магеллановій Хмарі, карликовій галактиці, розташованій на відстані близько 50 кілопарсек від нашої Галактики. Отрима- ні Раймондом Девісом і керівником проекту KamiokaNDE Масатосі Косібою (Masatoshi 24 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (1) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Koshiba) результати були достойно оцінені науковою спільнотою. У 2002 р. їм було при- суджено Нобелівську премію з фізики «за но- ваторський внесок в астрофізику, зокрема, за виявлення космічних нейтрино». Дефіцит нейтрино спостерігався і в япон- ському експерименті KamLAND, в якому ви- мірювали потік і спектр нейтрино від япон- ських і південнокорейських ядерних реакто- рів, віддалених на кілька десятків кілометрів. Усі ці результати вказували на передбачене ще у 1957 р. Бруно Понтекорво та Володимиром Грибовим явище осциляцій нейтрино (історію ранніх теоретичних та експериментальних ро- біт з осциляції нейтрино викладено в огляді [14]). Це явище полягає у перетворенні одно- го виду нейтрино (а всього їх відомо три: елек- тронне, мюонне і тау-лептонне) на інші під час його руху. Варто зазначити, що осциляції ней- трино можливі лише у випадку, якщо маса ней- трино не дорівнює нулю — нехай це відбува- ється у вакуумі чи під час руху нейтрино через Сонце завдяки ефекту, свого часу теоретично передбаченому радянськими фізиками Станіс- лавом Міхєєвим і Олексієм Смирновим [15] та незалежно від них американським ученим Лін- кольном Вольфенштейном [16, 17]. З урахуванням досвіду роботи детектора KamiokaNDE наприкінці 1990-х років було побудовано нову, майже в 20 разів більшу установку Super-Kamiokande. Це резервуар із нержавіючої сталі діаметром 39 м і висотою 41 м, заповнений надчистою водою загальною масою 50 тис. т (рис. 2). За всім об’ємом води спостерігають 11 тис. фотоелектронних помно- жувачів, встановлених на стінках детектора. Важливо, що спалахи черенковського світла несуть інформацію про енергію і напрям руху заряджених частинок в об’ємі детектора. У та- кий спосіб можна чітко відрізнити мюонні ней- трино, що прилетіли зверху, пройшовши шлях близько 20 км, від тих, що потрапили знизу, подолавши відстань приблизно 13 тис. км. Крім того, детектор здатний розрізнити події, зумовлені електронами, і мюонні події. Вияви- лося, що потік атмосферних мюонних нейтри- но зверху приблизно вдвічі перевищує потік таких нейтрино знизу [18]. Детальний розгляд залежності потоку нейтрино від їх типу, енер- гії та напрямку однозначно свідчить про осци- ляції нейтрино впродовж руху через Землю, а отже, про наявність у цих частинок маси. Саме Рис. 3. Схематичний вигляд детектора SNO і зовніш- ній вигляд конструкції, на якій встановлено фотопо- множувачі (публікується з дозволу Нейтринної обсер- ваторії в Садбері) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 1 25 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ за цей результат керівнику проекту Super-Ka- miokande японському вченому Такаакі Кадзіті (Takaaki Kajita) було присуджено Нобелівську премію з фізики у 2015 р. Підтвердження осциляцій нейтрино від Сонця і наявності у них маси було отримано в Нейтринній обсерваторії в Садбері (Sudbury Neutrino Observatory, SNO), розташованій у нікелевій шахті Крейтон Вале Інко (Канада) на глибині понад 2 км. Детектор SNO (рис. 3) являє собою сферу діаметром 18 м, заповне- ну 1 тис. т надчистої важкої води. Реєструють черенковське світло від заряджених частинок, які виникають у результаті взаємодії нейтри- но з ядрами атомів важкої води, 9 тис. фото- помножувачів. Ще майже 8 тис. т надчистої звичайної води оточують прозорий акриловий контейнер з важкою водою для захисту від ра- діоактивного випромінювання скельних порід. Уся лабораторія обладнана як чисте приміщен- ня класу 2000 для запобігання потраплянню пилу в робочий об’єм детектора, що потрібно для зменшення радіоактивного фону детек- тора від розпадів урану і торію та їх дочірніх ядер, присутніх у навколишньому середовищі (у тому числі, у пилу). Слід підкреслити, що саме використання важкої води стало принциповою перевагою цього детектора, яка дала можливість надій- но спостерігати осциляції сонячних нейтрино. Справа в тому, що у важкій воді міститься дей- терій — ізотоп водню, у ядрі якого крім протона є нейтрон. З ядрами дейтерію можуть взаємо- діяти нейтрино різних типів: і електронне (νe), і мюонне (νμ), і тау-лептонне (ντ). Взаємодія, яка відбувається завдяки так званим нейтраль- ним струмам (НС), приводить до розщеплення ядра дейтерію (d) на протон (p) і нейтрон (n): νe,μ,τ + d → νe,μ,τ + n + p. Утворений нейтрон потім поглинається ін- шим ядром дейтерію з утворенням ядра тритію (3H) і випромінюванням гамма-кванта: n + d → 3H + γ. Останній вибиває з речовини детектора ви- сокоенергетичний електрон, який можна за- реєструвати за допомогою детектора через че- ренковське випромінювання. Крім того, детектор реєстрував поглинання нейтрино нейтроном у ядрах дейтерію (реак- ція за рахунок заряджених струмів (ЗС), в яку вступають тільки електронні нейтрино): νe + d → p + p + e−, і пружне розсіяння (ПР) нейтрино на електро- нах (в реакції задіяні всі типи нейтрино, але електронні вступають у неї з більшою ймовір- ністю): νe,μ,τ + e− → νe,μ,τ + e−. У ПР- і ЗС-реакціях детектор реєстрував ви- сокоенергетичні електрони, утворені в резуль- таті взаємодії нейтрино. Аналіз даних (усього з півмільярда зареєстрованих детектором за рік вимірювань було відібрано 2928 подій) чітко підтвердив, що нейтрино на шляху від Сонця до Землі осцилюють з перетворенням у мю- онні і тау-нейтрино [19], а це також вказувало на наявність ненульової маси нейтрино. Отже, проблему дефіциту сонячних нейтрино було вирішено [20]. За цей результат Артур Макдо- нальд (Arthur B. McDonald), керівник проекту SNO, отримав Нобелівську премію з фізики у 2015 р. разом із Такаакі Кадзітою. Отже, в експериментах із сонячними, атмо- сферними, реакторними нейтрино і нейтрино від прискорювачів отримано переконливі до- кази нейтринних осциляцій між різними ви- Нобелівські лауреати з фізики 2015 р. Такаакі Ка- дзіта (Takaaki Kajita) і Артур Макдональд (Arthur B. McDonald) 26 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (1) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ дами (ароматами) нейтрино, спричинених змі- шуванням масових станів нейтрино, а також того, що відомі нам види нейтрино (електрон- не, мюонне і тау-лептонне) є суперпозиціями масових станів нейтрино: 1 , n lL lj jL j U = ν = ν∑ де νlL − спостережувані види нейтрино, νjL − масові стани нейтрино, Ulj − так звана матри- ця Понтекорво − Макі − Накагави − Сакати (PMNS-матриця). Це означає, що нейтрино народжуються і взаємодіють з іншими час- тинками свого аромату (тобто як, наприклад, електронне або мюонне нейтрино), а розпо- всюджуються між точками взаємодії як ма- сивні нейтрино — частинки з дуже малою, поки що невідомою масою. Нейтрино певного аромату при цьому не мають чітко визначеної маси і, навпаки, нейтрино з визначеною масою є, в певному сенсі, сумішшю трьох ароматів. Електронне нейтрино народжується як суміш трьох масових станів, але вони розповсюджу- ються з дещо різною хвильовою швидкістю — більш важкі компоненти відстають від легких. Тому пропорція компонент у суміші поступо- во порушується, а це відповідає появі інших ароматів, тобто в пучку електронних нейтри- но з’являються мюонні і тау-нейтрино, які в принципі можна зареєструвати (або виявити зменшення потоку електронних нейтрино). У макроскопічному світі важко підібрати ана- лог цій дивній поведінці, вона є суто кванто во- ме ханічним явищем. Незважаючи на ці успіхи в дослідженнях нейтрино, відкритими залишається багато пи- тань про властивості нейтрино і слабкої вза- ємодії. Одним із найбільш фундаментальних є, власне, питання про величину маси нейтрино, адже осциляційні експерименти чутливі лише до різниці квадратів масових станів нейтрино 2 ijmΔ . Невідомою є і схема масових станів ней- трино, а також його природа: чи є нейтрино час- тинкою Дірака (коли частинка і античастинка відрізняються), чи Майорани (коли частинка і античастинка є тотожними). Немає поки що відповідей на питання про стабільність нейтри- но, його магнітний момент, існування стериль- них нейтрино, збереження лептонного заряду, домішки правих струмів у слабкій взаємодії, можливість нового виду взаємодій нейтрино з іншими частинками. До цього варто додати необхідність точного вимірювання кутів змі- шування, різниць квадратів масових станів нейтрино та елементів PMNS-матриці (ми ра- димо читачам роботи [4, 21, 22], де сформульо- вані завдання і проблеми нейтринної фізики). Слід також пам’ятати, що нейтрино є єдиною відомою компонентою темної матерії, а також про можливість пояснити баріонну асиметрію Всесвіту (у випадку, якщо нейтрино є частин- кою Майорани). Важливо зазначити, що з моменту створен- ня Стандартної моделі елементарних частинок нейтринні осциляції є першим спостереженим ефектом за межами цієї моделі, яка досі успіш- но описувала всі явища субатомної фізики. При цьому нейтринні осциляції знайдено не за допомогою надзвичайно дорогих прискорюва- чів, а саме у підземних експериментах. Молода галузь фізики, яку в англомовній літературі називають Astroparticle Physics, по- чала бурхливо розвиватися в останні тридцять років. Нейтрино надзвичайно слабко взаємо- діють з матерією, тому для захисту чутливого обладнання від впливу космічних променів дослідження необхідно проводити в підзем- них лабораторіях. Зараз у світі функціонують багато підземних лабораторій. Крім уже зга- даних Нейтринної обсерваторії в Канаді і ла- бораторії Каміока в Японії, такі лабораторії є в Італії, Франції, Іспанії, Росії, Кореї, Вели- кій Британії, Сполучених Штатах, Фінляндії, Бельгії; споруджуються в Індії, Чилі (спільно з Аргентиною), Південно-Африканській Рес- публіці, Австралії. Унікальний нейтринний детектор масою близько мільярда тонн (робо- чою речовиною детектора є лід) функціонує на станції Амундсен—Скотт на Південному по- люсі в Антарктиді, подібні (водяні) детектори споруджуються на Байкалі та у Середземному морі. Як відомо, усі фундаментальні відкриття рано чи пізно знаходять своє практичне вико- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 1 27 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ристання. Наприклад, Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ) ініціювало роз- роблення детекторів антинейтрино для конт- ро лю роботи ядерних реакторів. Виміряний нещодавно за допомогою детектора Borexino (у цьому експерименті беруть участь учені з Інституту ядерних досліджень НАН України) потік нейтрино від протон-протонної реакції в надрах Сонця підтверджує стабільність енерго- виділення Сонця за останні 100 тис. років [23]. Крім того, детектор Borexino надає унікальну інформацію про будову Землі, вимірюючи по- тік нейтрино з її надр (геонейтрино), а отже, дає можливість уточнювати геологічні дані, значення яких для геологорозвідки корисних копалин важко переоцінити. Можливо, ми сьогодні навіть не в змозі уяви ти майбутнє практичне застосування того моря нейтрино, в якому ми живемо (за секунду через кожний квадратний сантиметр на Землі проходить близько 1011 сонячних нейтрино). Однак уже зараз є ідеї щодо використання ней- трино для космічного і земного зв’язку (напри- клад, з підводними човнами) і перші такі екс- периментальні спроби вже здійснюються [24]. В Україні теоретичними розробками в галузі фізики нейтрино займаються науковці Інсти- туту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України, Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України та Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Експери- ментальні дослідження нейтрино виконують в Інституті ядерних досліджень НАН України, співробітники якого беруть активну участь у кількох міжнародних колабораціях, метою яких є дослідження нейтрино: в експерименті Borexino (в якому вимірюють потоки нейтри- но не лише від Сонця, а й з надр Землі), SOX (пошук осциляцій нейтрино на дуже малих відстанях), SuperNEMO, AMoRE, LUCINEU і CUPID (пошуки безнейтринного подвійно- го β-розпаду атомних ядер − процесу, здатного визначити природу і масу нейтрино [25]). До цих досліджень методологічно примикають інші експерименти в галузі неприскорюваль- ної фізики частинок: пошуки частинок тем- ної матерії (європейський проект EURECA) та інших гіпотетичних частинок і ефектів за межами Стандартної моделі: аксіонів, незбе- реження електричного і баріонного заряду, по- рушення принципу Паулі (колаборації DAMA та Borexino), вимірювання надзвичайно рідкіс- них α- і β-розпадів атомних ядер. Ці експери- менти здійснюють у найбільшій у світі підзем- ній лабораторії Гран-Сассо (Італія), у підзем- них лабораторіях Модан (Франція), Янг-Янг (Корея), лабораторії HADES Інституту стан- дартних матеріалів та вимірювань Об’єднаного дослідницького центру Європейської комісії (Бельгія). Учені з Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний ін- ститут» НАН України досліджують нейтри- но в рамках колаборації CMS на Великому адронному колайдері в Європейському цен- трі ядерних досліджень (ЦЕРН). Учені КНУ імені Тараса Шевченка розпочали співробіт- ництво в рамках запланованого у ЦЕРНі про- екту експерименту SHiP, спрямованого на по- шуки важких стерильних нейтрино. Фізики з Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна співпрацюють з Баксанською нейтринною обсерваторією (Росія). Теоретич- ні роботи, пов’язані з нейтрино у космології, проводять у Головній астрономічній обсерва- торії НАН України. Цей (скоріш за все, неповний) перелік робіт українських учених у галузі нейтринної фізи- ки за останні роки демонструє величезний по- тенціал нашої науки (насамперед — людський) і переконливо свідчить про те, що ми можемо ефективно працювати на міжнародному рівні, на передньому краї розвитку науки. На сьо- годні установи НАН України все ще мають видатні здобутки, кваліфікований кадровий потенціал і певну матеріально-технічну базу для нейтринних досліджень. У цьому най- актуальнішому напрямі українські вчені не лише отримують важливі результати світового рівня, а й розробляють нові експериментальні методики і матеріали, які вже застосовуються у підготовці великих міжнародних експери- ментів наступного покоління. Це, наприклад, унікальні методи наднизькофонової ядерної 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (1) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ REFERENCES 1. Lee T.D., Yang C.N. Question of parity conservation in weak interactions. Phys. Rev. 1956. 104(1): 254. 2. Wu C.S., Ambler E., Hayward R.W., Hoppes D.D., Hudson R.P. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay. Phys. Rev. 1957. 105(4): 1413. 3. Garwin R.L., Lederman L.M., Weinrich M. Observations of the Failure of Conservation of Parity and Charge Conju- gation in Meson Decays: The Magnetic Moment of the Free Muon. Phys. Rev. 1957. 105(4): 1415. 4. Strumia A., Vissani F. Neutrino masses and mixings and... arXiv:hep-ph/0606054v3, 2010. 5. Lubimov V.A., Novikov E.G., Nozik V.Z., Tretyakov E.F., Kosik V.S. An estimate of the ve mass from the β-spectrum of tritium in the valine molecule. Phys. Lett. B. 1980. 94(2): 266. 6. Robertson R.G.H., Bowles T.J., Stephenson G.J., Wark D.L., Wilkerson J.F., Knapp D.A. Limit on anti-electron- neutrino mass from observation of the beta decay of molecular tritium. Phys. Rev. Lett. 1991. 67(8): 957. 7. Kawakami H. et al. New upper bound on the electron anti-neutrino mass. Phys. Lett. B. 1991. 256(1): 105. 8. Holzschuh E., Fritschi M., Kündig W. Measurement of the electron neutrino mass from tritium β-decay. Phys. Lett. B. 1992. 287(4): 381. 9. Chengrui C., Tsohsiu H., Dongqi L., Yajun M., Shiping C., Hanchenget S. A possible explanation of the negative values of m2ve obtained from the β spectrum shape analyses. Int. J. Mod. Phys. A. 1995. 10(19): 2841. 10. Stoeffl W., Decman D.J. Anomalous structure in the β decay of gaseous molecular tritium. Phys. Rev. Lett. 1995. 75(18): 3237. 11. Aseev V.N. et al. Upper limit on the electron antineutrino mass from the Troitsk experiment. Phys. Rev. D. 2011. 84(11): 112003. 12. Kraus Ch. et al. Final results from phase II of the Mainz neutrino mass search in tritium β decay. Eur. Phys. J. C. 2005. 40(4): 447. 13. Drexlin G., Hannen V., Mertens S., Weinheimer C. Current Direct Neutrino Mass Experiments. Adv. High Energy Phys. 2013. 2013: 293986. 14. Bilenky S.M. The history of neutrino oscillations. Phys. Scripta. 2005. T121: 17. 15. Mikheev S.P., Smirnov A.Yu. Resonance enhancement of oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy. So- viet Journal of Nuclear Physics. 1985. 42: 913. [Михеев С.П., Смирнов А.Ю. Резонансное усиление осцилляций в веществе и спектроскопия солнечных ней- трино. Ядерная физика. 1985. Т. 42, № 6. С. 913]. 16. Wolfenstein L. Neutrino oscillations in matter. Phys. Rev. D. 1978. 17(9): 2369. 17. Wolfenstein L. Neutrino oscillations and stellar collapse. Phys. Rev. D. 1979. 20(10): 2634. 18. Fukuda Y. et al. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos. Phys. Rev. Lett. 1998. 81(8): 1562. 19. Ahmad Q. et al. Measurement of the Rate of νe + d → p + p + e− Interactions Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Phys. Rev. Lett. 2001. 87(7): 071301. 20. McDonald A.B., Klein J.R., Wark D.L. Solving the Solar neutrino problem. Scientific American. 2006. 15: 22. 21. Mohapatra R.N. et al. Theory of neutrinos: a white paper. Rep. Prog. Phys. 2007. 70(11): 1757. 22. Smirnov A. The landscape of neutrino physics. Talk at TAUP 2015. (Sept. 7—12, 2015, Turin, Italy). 23. Bellini G. et al. Neutrinos from the primary proton-proton fusion process in the Sun. Nature. 2014. 512: 383. 24. Stancil D.D. et al. Demonstration of communication using neutrinos. Mod. Phys. Lett. A. 2012. 27(12): 1250077. спектрометрії, глибокого очищення матеріалів, росту сцинтиляційних кристалів. Усі ці роботи координуються Національною академією наук України з метою не лише за- кріпити наші позиції в цій галузі, а й вивести ці дослідження на новий щабель. Розроблення експериментального обладнання для нейтрин- них експериментів потребує тісної співпраці фізиків, хіміків, спеціалістів з глибокого очи- щення речовин, формуючи тим самим нову галузь в Україні — матеріалознавство радіоак- тивно чистих матеріалів. Україна здатна і надалі робити гідний вне- сок у дослідження нейтрино, передусім завдя- ки самовідданості кваліфікованих фахівців, які, незважаючи на всі труднощі, продовжують отримувати достойні наукові результати, на- вчають молодь, розширюють міжнародне спів- робітництво, беруть участь у нинішніх і май- бутніх нейтринних експериментах. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 1 29 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 25. Danevich F.A. Investigation of neutrino and weak interactions in double beta decay of atomic nuclei. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2015. (9): 39. [Даневич Ф.А. Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер. Вісн. НАН України. 2015. № 9. С. 39—47]. Стаття надійшла 16.11.2015. Ф.А. Даневич, В.В. Кобычев, В.И. Третяк Институт ядерных исследований НАН Украины (Киев) У НЕЙТРИНО ЕСТЬ МАССА Нобелевская премия по физике 2015 года Нобелевская премия по физике в 2015 году присуждена Артуру Макдональду (Канада) и Такааки Кадзите (Япо- ния) «за открытие осцилляций нейтрино, которые свидетельствуют о том, что у нейтрино есть масса». Это — пер- вый эффект за рамками Стандартной модели элементарных частиц, значение которого для дальнейшего развития науки трудно переоценить. В статье кратко изложена история исследований нейтрино и слабого взаимодействия, в частности тех, которые в 2015 году были отмечены Нобелевской премией. Обсуждается вклад украинских уче- ных в нейтринные исследования, перспективы их участия в крупных международных нейтринных проектах. Ключевые слова: нейтрино, слабое взаимодействие, масса нейтрино, нейтринная астрофизика, низкофоновый эксперимент. F.A. Danevich, V.V. Kobychev, V.I. Tretyak Institute for Nuclear Research of the National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv) NEUTRINOS ARE MASSIVE Nobel Prize in Physics 2015 The Nobel Prize in Physics 2015 was awarded jointly to Arthur B. McDonald (Canada) and Takaaki Kajita (Japan) “for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass.” Observation of the neutrino oscillations is the first effect beyond the Standard Model of elementary particles, whose role for the further development of science is exceptionally important. The main steps of the neutrino and the weak interaction investigations, in particular of those awarded by the Nobel Prize in 2015, are presented. The contribution of the Ukrainian scientists to neutrino researches, prospects for their participation in the current and future international neutrino projects are briefly discussed. Keywords: neutrinos, weak interaction, neutrino mass, neutrino astrophysics, low-background experiments.

У нейтрино є маса (Нобелівська премія з фізики 2015 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси