Артур Б. Макдональд

Артур Б. Макдональд в Стокгольме, декабрь 2015 года.
Артур Б. Макдональд в Стокгольме, декабрь 2015 года.Фото: Bengt Nyman, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

Артур Брюс Макдональд (род. 29 августа 1943 в Сиднее, Новая Шотландия) — канадский физик. Он руководил Sudbury Neutrino Observatory, которая в 2001 и 2002 годах решила вопрос, куда исчезают недостающие солнечные нейтрино. В 2015 году он получил совместно с Такааки Кадзитой Нобелевскую премию по физике.

Путь

Макдональд вырос на острове Кейп-Бретон и учился в Университете Далхаузи в Галифаксе. В 1969 году он защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом институте. После лет в канадском центре ядерных исследований Чолк-Ривер и профессуры в Принстоне он вернулся в 1989 году в Канаду, в Университет Куинс в Кингстоне, Онтарио.

В том же году он принял руководство предприятием, которое должно было сделать его известным.

Проблема, остававшаяся открытой тридцать лет

С тех пор как Реймонд Дэвис с 1968 года представлял результаты эксперимента «Хоумстейк», в воздухе висело число, которое никто не мог объяснить: приходила лишь примерно треть рассчитанных Джоном Бакаллом солнечных нейтрино.

Для этой проблемы солнечных нейтрино существовали два объяснения. Либо стандартная модель Солнца была неверна — тогда астрофизики упустили нечто основополагающее. Либо нейтрино изменялись в пути — тогда нечто упустили физики частиц.

Ни один эксперимент не мог различить эти две возможности. Все прежние детекторы откликались ведь только на электронные нейтрино, то есть на тот вид, который порождает Солнце. Если частицы превращались в пути в другой вид, то детекторы видели то же самое, что и при более слабом Солнце: меньше событий. Причина оставалась скрытой.

Находка: тяжёлая вода

Установка Макдональда решила это приёмом, опиравшимся на канадский особый путь. Канада эксплуатирует атомные электростанции типа CANDU, работающие на тяжёлой воде. Её удалось одолжить 1 000 тонн — стоимостью в несколько сотен миллионов долларов.

Тяжёлая вода содержит дейтерий, а дейтерий реагирует с нейтрино двумя различными способами:

Через заряженный ток. Только электронные нейтрино могут расщепить дейтрон на два протона и электрон. Эта реакция, стало быть, считает, сколько нейтрино сохранили свой первоначальный вид.

Через нейтральный ток. Любой вид нейтрино может разложить дейтрон на протон и нейтрон. Эта реакция считает все нейтрино, какого бы вида они ни были.

Сравнение обоих чисел отвечает на вопрос непосредственно — причём без того, чтобы вообще привлекать стандартную модель Солнца. Именно в этом состоит изящество схемы.

Результат

Детектор лежал на глубине двух километров в никелевом руднике Крейтон близ Садбери, Онтарио. Строительство длилось девять лет.

Измерения дали: через заряженный ток приходила примерно треть ожидаемой скорости — ровно тот дефицит, который нашёл Дэвис. Через нейтральный ток приходила полная скорость.

Тем самым было показано и то и другое сразу. Солнце испускает ровно столько нейтрино, сколько рассчитал Бакалл. И в пути две трети из них превращаются в другие виды.

Проблема солнечных нейтрино была после более чем трёх десятилетий решена — не ошибкой в расчёте, а свойством частиц, которого никто не предполагал.

Почему были нужны оба лауреата

Кадзита показал на атмосферных нейтрино, что мюонные нейтрино исчезают. Макдональд показал на солнечных нейтрино, что электронные нейтрино превращаются и во что именно.

Лишь вместе оба результата дают замкнутую картину: нейтрино переходят друг в друга, следовательно, они обладают массой. Стандартную модель в этом месте необходимо расширить.

Нобелевский фонд отметил в 2015 году именно эту связь.

Затем

Макдональд на пенсии, но по-прежнему деятелен. Из обсерватории в Садбери выросла подземная лаборатория SNOLAB, которая сегодня ищет тёмную материю и с помощью SNO+ изучает безнейтринный двойной бета-распад.

Он компаньон ордена Канады, высшей гражданской награды страны.

Связанные понятия

Источники