Техно

Нобель-2015: Мистические превращения нейтрино помогут найти инопланетян

Нобель по физике раскроет тайны космоса, секрет происхождения темной материи и многократно повысит скорость передачи информации

Фото: wired.com

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.

Фото: galleryhip.com

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.

Фото: coollib.com

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.

Пол Коркум и члены его команды JASLab. Фото: uottawa.caСреди 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.