Проблема солнечных нейтрино
Тридцать три года одно число не сходилось. Детекторы измеряли лишь около трети нейтрино, которые должны были приходить от Солнца — и никто не мог сказать, ошибочны ли модели Солнца, измерения или нечто совсем иное.
Разрешение 2001 года оказалось красивее любого из ожидавшихся ответов.
Результат 1968 года
Рэймонд Дэвис построил в золотом руднике Homestake в Южной Дакоте бак с 615 тоннами перхлорэтилена — обычной чистящей жидкости. Если электронное нейтрино попадает в ядро хлора, из него получается ядро аргона.
Дэвис каждые несколько недель вымывал возникшие атомы аргона и считал их. Это были буквально отдельные атомы в баке объёмом 380 кубических метров — одно из самых чувствительных измерений, которые когда-либо предпринимались.
Предсказание исходило от Джона Бакалла, который просчитал недра Солнца. Дэвис упорно измерял около трети от него.
Трое подозреваемых
На протяжении трёх десятилетий в воздухе висели три объяснения:
| Подозрение | Что оно означало бы |
|---|---|
| Модели Солнца ошибочны | расчёт Бакалла неверен — ядро холоднее, чем думали |
| Измерение ошибочно | метод Дэвиса теряет аргон или считает мимо |
| Нейтрино изменяются | с ними что-то происходит по дороге |
Первые два напрашивались и были соответственно тщательно проверены. Бакалл десятилетиями уточнял свою модель; предсказание оставалось. Дэвис улучшал свой метод; дефицит оставался.
Третье подозрение было самым неудобным, ведь оно требовало физики за пределами Стандартной модели.
Подтверждение другими методами
В 1990-е годы GALLEX в Гран-Сассо и SAGE на Кавказе измеряли галлием вместо хлора — чувствительным и к низкоэнергичным нейтрино из протон-протонной реакции, которые составляют львиную долю. Они тоже нашли слишком мало.
Super-Kamiokande с 1996 года измерял водой и совсем другой техникой. Снова то же самое.
Тем самым второе объяснение было исчерпано: четыре эксперимента с четырьмя методами не могли все совершить одну и ту же ошибку.
Разрешение 2001 года
Sudbury Neutrino Observatory первой смогла измерить и то и другое одновременно — только электронные нейтрино и сумму всех трёх сортов.
Результат: электронных нейтрино не хватало. Полное число сходилось точно.
Тем самым дело было решено. Модель Солнца Бакалла всё это время была верна. Измерение Дэвиса всё это время было верным. Не хватало куска физики: осцилляций нейтрино.
Позднее признание
Рэймонд Дэвис получил в 2002 году Нобелевскую премию по физике, в возрасте 88 лет — через тридцать четыре года после своего первого измерения. Джон Бакалл, чей расчёт всё это время был верен, награждён не был; он умер в 2005 году.
Чему учит этот случай
Три десятилетия казалось, будто где-то есть ошибка. В конце концов её не было нигде — не хватало закона природы. Такие случаи редки, и поэтому проблема солнечных нейтрино до сегодняшнего дня остаётся поучительным примером того, когда следует верить неудобному измерению.
Смежные понятия
- Sudbury Neutrino Observatory — разрешение
- Super-Kamiokande — независимое подтверждение
- Осцилляции нейтрино — ответ
- Нейтрино — частица
- Хронология физики нейтрино — с 1968 по 2001 год
Источники
- R. Davis, D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for neutrinos from the Sun. Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
- J. N. Bahcall: Solar Neutrinos. Physical Review Letters 12, 300 (1964).
- Q. R. Ahmad и др. (SNO): Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Nobel Prize Outreach: The Nobel Prize in Physics 2002, nobelprize.org.