В рамках фестиваля Nauka 0+, соорганизатором которого в 2021
г. выступила Российская академия наук, прошли десятки лекций ведущих ученых
страны и мира. Одной из них стало онлайн-выступление
лауреата Нобелевской премии по физике 2015 г. Такааки Кадзиты, посвященное
исследованию одной из самых интригующих тайн Вселенной – асимметрии материи и
антиматерии. А еще в своей лекции «Осциллирующие нейтрино» профессор Токийского
университета, директор Института изучения космических лучей (ICRR), иностранный
член Российской академии наук рассказал о том, как тестирование программного
обеспечения может привести к Нобелевской премии.
В 1970-х годах Теории великого объединения предсказали, что
протоны должны распадаться, имея время жизни порядка 1030 лет. Для
проверки этой гипотезы японским Институтом исследования космических лучей была
создана подземная протонная обсерватория «Камиоканде», расположенная в районе
Камиока города Хида, в центральной части страны. Она представляла собой
спрятанный в горной шахте резервуар с 3000 т воды, внутри которого были
установлены фотодетекторы. Предполагалось, что если внутри этой емкости произойдет
распад протона с образованием частиц, которые возбудят в воде излучение
Черенкова, фотоны будет зарегистрированы сверхчувствительными детекторами.
Строительство установки началось весной 1983 г., а в июле того же года начались
эксперименты.
Увы, сначала ученые смогли увидеть только фоновые явления в
результате взаимодействия нейтрино с водой внутри емкости. Эти нейтрино
рождались при воздействии космических лучей на атомы воздуха атмосферы.
«У нас не было никаких результатов по распаду протона, но мы
видели результаты воздействия нейтрино и хотели отдельно рассмотреть
взаимодействие нейтрино и протонов, поэтому в 1986 году мы написали новое
программное обеспечение и в качестве теста изучали взаимодействие электронных и
мюонных нейтрино, – рассказывает профессор Кадзита. – И мы обнаружили, что
число событий, связанных с мюонными нейтрино, оказалось много меньше, чем мы
ожидали. И мы задумались: а вдруг мы где-то ошиблись?»
Год потребовался для того, чтобы убедиться в отсутствии
ошибки, и в 1988 г. были опубликованы данные, свидетельствующие о расхождении
результатов эксперимента и теоретических расчетов. Наличие расхождения
подтвердили и результаты аналогичной протонной обсерватории IMB в США.
«Нам сначала не было понятно, откуда взялся этот дефицит, –
говорит профессор Кадзита. – Но мне нравилось работать с этими данными, и я
находил удовольствие в поисках разгадки. И я переключился с исследования
распада протонов на исследование нейтрино. К сожалению, с теми данным, что у
нас были, мы не могли выяснить причину этого отклонения от теории. У нас не
было никаких четких идей о происхождении этого дефицита. Но с самого начал мы
думали, что, возможно, он связан с осцилляцией нейтрино».
Нейтрино бывают трех типов: электронные, мюонные и
тау-нейтрино. Теория предсказывает, что если у нейтрино есть масса, то должно
возникать явление так называемой нейтринной осцилляции – периодического
изменения вероятности обнаружения частицы определенного сорта в
зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени.
То есть одна и та же частица в разные моменты своего существования может
проявлять себя то как мюонное, то как тау-нейтрино. Это явление было
теоретически предсказано в 1957 г. советско-итальянским физиком Бруно
Понтекорво.
«Нейтрино возникают в результате воздействия космических
лучей с атмосферой, – продолжает рассказ нобелевский лауреат. – Это значит, что
некоторые из них возникают прямо над установкой, на высоте порядка 10-20 км. Но
на расстояниях порядка 20 км у них нет времени для того, чтобы осциллировать из
одного типа в другой, а нейтрино, возникающие в атмосфере с другой стороны
Земли, должны пролететь более длительное расстояние, порядка нескольких тысяч
километров, и у них есть время для осцилляций. В результате должна наблюдаться
асимметрия атмосферных мюонных нейтрино, прилетевших сверху и снизу. Это очень
простая идея, но когда мы попытались обнаружить этот эффект на «Камиоканде»,
то, к сожалению, эта установка оказалась слишком маленькой для этого».
В 1991 г. японское правительство утвердило проект в 16 раз
большего по объему детектора. Такая установка могла регистрировать порядка 10
нейтрино в день. Установка получила название «Супер-Камиоканде». Этот проект
стал международным с участие 200 ученых из 10 стран. В апреле 1996 г. установка
заработала.
«В 1998 г., через два года после начала экспериментов, мы
смогли опубликовать первые результаты, – рассказывает профессор Кадзита. – Мы
сравнили данные по мюонным и электронным нейтрино с теоретическими расчетами.
Для электронных нейтрино эти данные хорошо согласовывались, но по мюонным
нейтрино вновь возникло рассогласование».
Выше можно видеть слайд из доклада о результатах
экспериментов «Супер-Камиоканде». На графике внизу показано число событий,
связанных с мюонными нейтрино, в зависимости от угла их траектории относительно
зенита. По красным цифрам видно, что число мюонных нейтрино, прилетевших снизу,
в два раза меньше тех, что прилетели сверху.
«Эти данные хорошо объясняются именно осцилляцией нейтрино,
– поясняет график профессор Кадзита. – Проходя через Землю, мюонные нейтрино
осциллируют, периодически превращаясь в тау-нейтрино. Возможность того, что
мюонный нейтрино останется мюонным в момент пролета через детектор, составляет
только 50%. Мы представили наши результаты на конференции по физике, а на
следующий день случилось нечто неожиданное».
Это открытие вызвало столь широкий резонанс, что во время
выступления в Массачусетсом технологическом институте 5 июня 1998 г. Билл
Клинтон, в то время президент США, счел необходимым упомянуть о нем: «Только
вчера в Японии физики объявили, что нейтрино имеют массу. Это может изменить
наши наиболее фундаментальные теории – от природы мельчайших субатомных частиц
до того, как работает Вселенная и как она расширяется. Самым главным
результатом такого рода открытия является то, что их последствия не
ограничиваются стенами лабораторий. Они затрагивают все общество, не только
экономику, на сам наш взгляд на жизнь».
«Было доказано, что у нейтрино есть масса, – продолжает
рассказ профессор Кадзита. – Это открыло возможность для изучения физики за
пределами Стандартной модели элементарных частиц. Мы провели дополнительные
исследования по осцилляции нейтрино с 1998 по 2004 год с использованием луча
протонного ускорителя, расположенного на расстоянии 250 км. В 2002 г. к
международной коллаборации присоединились ученые российского Института ядерных
исследований РАН.
В 2010 году начался следующий этап, на котором использовался
поток нейтрино, создаваемый протонами высокой энергии на ускорителе J-PARK на
расстоянии 295 км в городе Токаи. Поэтому эксперимент получил название Т2К
(Tokai-to-Kamioka). В нем было зафиксировано явление тройной осцилляции с
участием электронных нейтрино».
На фото выше подземный резервуар обсерватории «Супер-Камиоканде»
с фотодетекторами на его стенах.
«У нас возникла уверенность, что эти осцилляции можно
объяснить, предположив очень небольшую массу нейтрино, – утверждает профессор
Кадзита. – Сейчас мы можем сказать, что у нейтрино есть масса, хотя она
значительно меньше, чем масса других частиц. Она на 10 порядков, то есть в 10
миллиардов раз меньше массы кварков, но тем не менее ее наличие послужит ключом
для лучшего понимания физики элементарных частиц и Вселенной в целом».
Одной из величайших загадок современной физики является
дисбаланс между материей и антиматерией, возникший в момент Большого взрыва.
Этот дисбаланс был очень мал: всего один «лишний» протон на миллиард
симметричных протонов и антипротонов. Но именно из этого «излишка» возникла вся
наша Вселенная. При полной симметрии все вещество и антивещество аннигилировало
бы без остатка.
«Мы пытаемся объяснить, откуда взялись лишние частицы
материи, – рассказывает профессор Кадзита. – Мы не знаем причину этого, но
многие считают, что нейтрино с их крошечной массой могут стать ключом к
пониманию этой тайны».
В международную коллаборацию эксперимента Т2К, наряду с 60
организациями из 11 стран, вошел и российский Институт ядерных исследований
РАН. Подписи наших ученых стоят под опубликованной в 2020 г. статьей в журнале
Nature с важнейшим результатом многолетней работы «Супер-Камиоканде»,
позволившим наложить новые ограничения на нарушение симметрии между материей и
антиматерией в нейтринных осцилляциях и таким образом приблизиться к разгадке
одной из самых захватывающих тайн мироздания. Недаром этот результат вошел в
число важнейших достижений российских ученых 2020 г., отмеченных в ежегодном
докладе президента РАН А.М. Сергеева.
Исследования нейтрино будут продолжаться. В мире готовится
новое поколение экспериментов. Один из них – «Гипер-Камиоканде» с детектором
более чем в 5 раз большего объема (см. выше). На нем будут фиксироваться
нейтрино от ускорителя J-PARK на расстоянии 295 км.
«Мы хотим увидеть, чем отличаются осцилляции нейтрино и
антинейтрино, – рассказывает профессор Кадзита. – Если эта разница будет
обнаружена, то это станет первым шагом к пониманию происхождения материи.
Сейчас развиваются два крупных проекта. Эксперимент в США, в рамках которого
пучок нейтрино будет создаваться в Лаборатории Ферми в Чикаго, а
детектироваться на расстоянии в несколько тысяч километров. И проект
«Гипер-Камиоканде»».
Строительство новой установки было утверждено японским
правительством в 2020 г. Ожидается, что эксперименты начнутся в 2027 г. В
настоящий момент в этом эксперименте участвуют 450 ученых их 19 стран. От
России участвуют Институт ядерных исследований РАН, Физический институт
имени П.Н. Лебедева РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова.
«Здесь будут изучаться не только нейтрино, но и механизм
взрыва Сверхновых, а также распад протонов, с которого все и начиналось. Если
жизнь протонов короче 1035 лет, то мы должны наблюдать их распад.
Есть и другие задачи, и я надеюсь, что мы сможем сотрудничать с российскими
коллегами в проекте «Гипер-Камиоканде»».