В этом году исполняется 70 лет открытию нейтрино. Итак, в 1956 году два американских учёных, Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн, работавшие в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, разработали фундаментальный эксперимент в истории науки. Используя ядерный реактор на площадке Саванна-Ривер в Южной Каролине в качестве источника, они впервые в мире смогли обнаружить антинейтрино, испускаемые реактором, подтвердив существование этих неуловимых и крошечных частиц, столь же многочисленных во Вселенной, сколь и неуловимых. Для этого они построили экспериментальную установку, расположенную на глубине 12 метров под землёй, чтобы защитить её от космических лучей. Установка состояла из резервуаров с водой и сцинтилляционными жидкостями, на которые были установлены фотоумножители. Эта методика, технологически и экспериментально усовершенствованная, до сих пор используется в самых современных экспериментах по обнаружению нейтрино. Результаты их исследований были опубликованы 20 июля того же года в журнале Science, а в 1995 году Рейнс получил Нобелевскую премию (Коуэн умер в 1974 году). Это открытие оказало глубокое влияние на физику XX века.

Изображение взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере Фермилаба, полученное в апреле 1976 года. Сайт Фермилаба

Нейтрино — это элементарные частицы, играющие фундаментальную роль в физике элементарных частиц, астрофизике элементарных частиц и космологии. История нейтрино берет свое начало в открытии атомного ядра. В начале XX века стало понятно, что почти вся масса атома сосредоточена в очень маленьком и чрезвычайно плотном ядре, радиус которого примерно в сто тысяч раз меньше радиуса самого атома. Остальное состоит из пустого пространства, заполненного электронами, которые остаются вблизи ядра и распределены в соответствии с вероятностными волнами, описываемыми квантовой механикой. Именно изучение процессов, происходящих внутри ядра, дало первые подсказки, которые привели к открытию нейтрино. В 1896 году Анри Беккерель открыл радиоактивность, поняв, что некоторые атомные ядра нестабильны и спонтанно трансформируются, испуская излучение. Было установлено, что существует три типа ядерных трансформаций: альфа-радиоактивность с испусканием ядра гелия, бета-радиоактивность с испусканием электрона (или позитрона) и гамма-радиоактивность с испусканием высокоэнергетических фотонов. Эти процессы естественны и спонтанны, и их понимание произвело революцию в ядерной физике. Однако именно бета-распад оказывается наиболее загадочным, и именно здесь начинается история нейтрино.

Когда физики начали точно измерять энергию электронов, испускаемых при бета-распаде, они столкнулись с удивительным результатом: электрон испускался с, по-видимому, случайной энергией, вопреки тому, что предсказывали законы классической физики. Это, очевидно, подразумевало нарушение принципа сохранения энергии: неприемлемая для науки гипотеза. Но это была не единственная проблема. Последующие исследования показали, что другая фундаментальная величина, угловой момент, также, по-видимому, не сохраняется в этом процессе. Среди тех, кто внес свой вклад в эти анализы, был Франко Расетти, сотрудник Энрико Ферми. Наконец, с появлением квантовой механики возникла ещё более серьёзная проблема: электрон не мог быть заключён внутри ядра до распада. Принцип неопределённости, сформулированный Вернером Гейзенбергом, запрещал это. Электрон, захваченный в таком малом пространстве, должен был обладать значительно большей энергией, чем наблюдаемая. Поэтому бета-распад казался непостижимым. Он нарушал энергетический баланс, по-видимому, нарушал спиновый баланс и противоречил фундаментальным принципам новой квантовой механики.

Продолжение следует...