Нейтрино

Нейтрино — элементарная частица без электрического заряда и с исчезающе малой массой. Она участвует только в слабом взаимодействии и поэтому проходит сквозь вещество почти беспрепятственно.

После частиц света нейтрино — самые распространённые частицы во Вселенной. Каждую секунду около 65 миллиардов из них пересекают квадратный сантиметр вашей кожи, и это только от Солнца. Вы этого не замечаете — и именно в этом их важнейшее свойство.

Почему их так трудно поймать

Частица становится видимой, когда с чем-нибудь взаимодействует. Нейтрино открыты для этого лишь две из четырёх фундаментальных сил, а сила тяжести при такой массе не имеет значения. Остаётся слабое взаимодействие.

Оно носит своё имя по праву — правда, по иной причине, чем можно было бы предположить. Мала не его сила, а его радиус действия. Его переносят W- и Z-бозоны, а они примерно в восемьдесят раз тяжелее протона. Столь тяжёлый переносчик взаимодействия уходит недалеко; радиус действия составляет одну тысячную диаметра протона.

Итак, две частицы должны сблизиться чрезвычайно тесно, чтобы что-то произошло. Сечение взаимодействия оказывается соответственно ничтожным: нейтрино без труда проходит сквозь свинцовую стену толщиной в несколько световых лет.

Ганс Бете и Рудольф Пайерлс заключили отсюда в 1934 году, что практически осуществимого пути когда-либо наблюдать нейтрино не существует. Их расчёт был верен. Их вывод — нет.

Три типа

Нейтрино встречаются в трёх исполнениях, которые называют ароматами. Каждое из них принадлежит заряженному лептону:

То, что их ровно три и не больше, — не допущение, а результат измерения. Из ширины распада Z-бозона в ЦЕРН в 1989 году последовало число три — для всех типов, которые вообще связаны со слабым взаимодействием. Существуют ли наряду с ними стерильные нейтрино, остаётся открытым.

Каждому типу отвечает антинейтрино. Действительно ли нейтрино и антинейтрино различны или это одна и та же частица в двух проявлениях, до сегодняшнего дня остаётся без ответа.

Откуда они приходят

От Солнца. При ядерном синтезе в его недрах непрерывно рождаются солнечные нейтрино. Они составляют безусловно наибольшую долю того, что до нас доходит.

Из воздушной оболочки. Космическое излучение порождает на высоте около 15 километров атмосферные нейтрино.

Из ядерных реакторов. Энергетический реактор испускает около 10²⁰ антинейтрино в секунду.

Из Земли. Радиоактивный распад в горных породах даёт геонейтрино — единственный способ заглянуть внутрь планеты.

Из космоса. Сверхновые вроде SN 1987A и далёкие ядра галактик испускают нейтрино, которые улавливают IceCube и KM3NeT.

Из Большого взрыва. Космический нейтринный фон пронизывает всю Вселенную. До сих пор он не обнаружен — энергии слишком малы.

История открытия вкратце

В 1930 году Вольфганг Паули предложил эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии при бета-распаде. Он сам назвал это отчаянным выходом и сомневался, что её когда-нибудь найдут.

В 1934 году Энрико Ферми облёк идею в теорию и дал частице её имя — по-итальянски «маленькая нейтральная штучка».

В 1956 году Фредерик Райнес и Клайд Коуэн зарегистрировали её на ядерном реакторе, через 26 лет после предложения Паули.

В 1998 и 2002 годах Такааки Кадзита и Артур Б. Макдональд показали, что нейтрино превращаются друг в друга. Тем самым было доказано, что они обладают массой.

Подробнее об этом — на странице Хронология.

Масса и что с ней связано

Осцилляции нейтрино доказывают, что нейтрино обладают массой. Насколько она велика, точно не знает никто. Эксперимент KATRIN ограничил её значением ниже половины электронвольта — электрон весит более чем в миллион раз больше.

Эта малость сама по себе загадка. Все прочие массы в Стандартной модели лежат теснее друг к другу. Механизм качелей объясняет её как тень чего-то очень тяжёлого, чего ещё никто не видел.

Тем самым масса нейтрино до сегодняшнего дня остаётся единственным надёжным лабораторным результатом, который указывает за пределы Стандартной модели. Именно поэтому во всём мире миллиарды вкладываются во всё более крупные детекторы.

Нейтрино как источник энергии

Neutrino® Energy Group следует подходу, при котором электрический ток получают из постоянно присутствующих потоков окружающей среды — не из одних лишь нейтрино, а сразу из нескольких каналов: импульсов частиц, космических мюонов, электромагнитных колебаний и тепловых движений. Этот подход называется нейтриновольтаикой и основан на многослойных структурах из графена и кремния.

Родственные понятия

• Осцилляции нейтрино — превращение
• Сечение взаимодействия — почему регистрация так трудна
• Хронология — развитие с 1930 года
• Глоссарий — все страницы в обзоре

Источники

• Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Neutrino Properties.
• Нобелевский фонд: Нобелевские премии по физике 1995, 2002 и 2015 годов.