В учебнике физики можно прочитать о том, что вся материя в природе состоит из различных фундаментальных частиц. Самые известные из них: электроны, протоны, нейтроны и фотоны. Фотоны, частицы-переносчики электромагнитного излучения, – самые распространенные по численности частицы во Вселенной. Но далеко не все знают о том, что второе место вслед за фотонами занимают нейтрино, загадочные крошечные частицы, которые буквально пронизывают все космическое пространство.

Как подсчитали физики, ежесекундно сквозь каждый квадратный сантиметр поверхности Земли (а равно и нашего тела) проходят, оставаясь незамеченными, порядка 65 миллиардов нейтрино.

Эти частицы постоянно синтезируются в результате различных ядерных реакций, происходящих в недрах Солнца и других звезд. Кроме того, ученым известно и о другом очень распространенном способе их возникновения, – нейтрино во множестве образуются непосредственно в земной атмосфере при взаимодействии ее с космическими лучами.

Что же известно современной науке об этих вездесущих невидимках?

К сожалению, достоверной информации о физических свойствах и характеристиках нейтрино до сих пор собрано не так уж много. Так, установлено, что они не имеют заряда, практически не вступают в физические взаимодействия с другими частицами, и существуют, как минимум, в трех разновидностях или типах (электронные, мюонные и тау–нейтрино). Наконец, как выяснилось относительно недавно, все эти три типа нейтрино еще и способны с легкостью превращаться друг в друга, путешествуя по Вселенной.Именно это удивительное свойство нейтрино внезапно менять свой облик подобно хамелеонам по ходу их космического полета (оно имеет специальное название “нейтринные осцилляции”) было экспериментально обнаружено двумя исследовательскими группами, – канадской и японской, в конце 90-х гг. прошлого века.

Руководители этих экспериментов (SNO и Super-Kamiokande) Артур Макдональд и Такааки Кадзита стали лауреатами нобелевской премии по физике 2015 г. Причем только за последние три десятилетия ученые, занимающиеся исследованиями нейтрино, были удостоены уже четырьмя нобелевскими премиями по физике, – помимо нынешнего года, нейтринные нобелевки вручались в 1988, 1995, и 2002 гг.

Что же касается лауреатов 2015 года, их открытие заставило ученых пересмотреть один из ключевых постулатов так называемой Стандартной модели физики частиц. Эта классическая модель в течение нескольких десятилетий казалась надежной теорией, позволявшей физикам успешно осуществлять новые эксперименты. Но одним из ключевых ее постулатов являлось утверждение, что все разновидности нейтрино – это частицы с нулевой массой (подобно фотонам). Однако благодаря обнаружению нейтринных осцилляций, теоретики пришли к выводу: чтобы различные виды нейтрино могли свободно превращаться друг в друга, они обязательно должны обладать хоть какой-то массой, пускай и очень маленькой.

Правда, точно подсчитать массу нейтрино ученые пока не в состоянии. Согласно текущим оценкам, она примерно в десять миллиардов раз меньше, чем масса протона. Для сравнения: масса электрона, считавшегося до нейтрино самой легкой элементарной частицей, лишь в 1836 раз меньше массы протона. 

Впервые догадку о существовании в природе нейтрино высказал еще в 1930 г. выдающийся физик-теоретик Вольфганг Паули. Изначально Паули предложил назвать эту частицу “нейтроном”, но уже через два года, в 1932 г. настоящий нейтрон, второй, наряду с протоном, важнейший компонент всех атомных ядер, был открыт Джеймсом Чедвиком. Дабы избежать путаницы, с легкой руки другого корифея физики ХХ века Энрико Ферми гипотетическая частица Паули получила другое имя – нейтрино, т.е., в переводе с итальянского, “нейтрончик”.

На протяжении двух с лишним десятилетий смелая идея Паули казалась красивой фантазией, сам ее автор часто сетовал, что эту частицу, возможно, так никогда и не удастся обнаружить.

Однако в 1956 г., всего за два года до кончины Паули двум американским физикам, Фредерику Райнесу и Клайду Коуэну удалось осуществить эксперимент, в результате которого было получено убедительное доказательство реального существования нейтрино.

Точнее говоря, Райнес и Коуэн тогда продемонстрировали, что в природе имеются не нейтрино, а их античастицы (антинейтрино), поскольку в ходе их эксперимента детектировались нейтроны и позитроны (антиэлектроны), возникавшие в результате столкновений антинейтрино с протонами. Но и этого оказалось вполне достаточно для того, чтобы ученые, наконец, смогли с облегчением констатировать: нейтрино более не следует считать неуловимыми частицами.

Уже в начале 60-х гг. прошлого века группой американских исследователей под руководством Леона Ледермана, Мелвина Шварца и Джека Стейнбергера был была разработан метод испускания мощных нейтринных пучков на ускорителях частиц, благодаря которому они смогли обнаружить, что помимо электронных нейтрино в природе имеется еще и другая их разновидность – мюонные нейтрино. За эту работу Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили нобелевскую премию в 1988 г. А семь лет спустя, в 1995 г. шведская Академия наук с запозданием отметила заслуженной наградой и первооткрывателя нейтрино Фредерика Райнеса (его напарник Коуэн не дожил до этого события).

Об экспериментальном открытии третьего вида нейтрино, тау-нейтрино, было официально объявлено в июле 2000 года, но нобелевскую премию за него так и не дали. Зато в 2002 г. этой награды были удостоены американец Рэймонд Дэйвис-младший и японец Масатоси Косиба, возглавлявшие две независимые исследовательские группы, которым впервые удалось экспериментально зарегистрировать космические нейтрино. Группа Дэйвиса в течение почти 30 лет на специальном подземном детекторе Homestake в штате Южная Дакота кропотливо отлавливала нейтрино, образующиеся в ходе реакций ядерного синтеза на Солнце. Схожие результаты были получены японской группой Косибы на другой специальной мега-установке Kamiokande, построенной на глубине более километра под горой Камилка.

Резервуар помещают на глубину 1000 метров, чтобы космическое излучение не создавало помех. 

Экспериментальные исследования нейтрино являются одним из самых перспективных направлений в современной физике и астрофизике. Во всем мире уже активно работают и еще только строятся многие десятки специальных нейтринных детекторов (практически все они сооружаются глубоко под землей для того, чтобы минимизировать различные фоновые эффекты, мешающие точной регистрации этих трудноуловимых частиц).

Причем, особый интерес у ученых в последние годы вызывает гипотеза о том, что именно нейтрино могут быть важнейшими составляющими пресловутой “темной материи”, таинственной физической субстанции Вселенной, о природе которой физикам до сих пор практически ничего не известно. Темной материи, по оценкам ученых, в космосе примерно в пять раз больше, чем обычной, и вполне возможно, что значительный ее объем приходится на нейтрино.