Мала академія наук запустила цикл зустрічей із Нобелівськими лауреатами. На лекціях зіркових науковців можна почути історії успіху та епікфейлів, надихнутися прикладами та поставити вченим власні запитання.

25 квітня з МАНівцями спілкувався японський фізик Такаакі Кадзіта — лауреат Нобелівської премії з фізики 2015 року за відкриття нейтринних осциляцій.

Сьогодні ділимося конспектом найцікавіших тез лекції вченого!

Що таке нейтрино та як ці частинки завели вчених у глухий кут

Нейтрино — це елементарні частинки, як електрони чи кварки. Вони не мають заряду й невидимі для ока, можуть проходити крізь Землю й досить слабко взаємодіють із матерією. Саме тому їх складно виявляти та досліджувати, а для експериментів над ними необхідні надзвичайно громіздкі й технічно досконалі конструкції. Зокрема, помітити нейтрино можна під час його взаємодії з ядром під водою: тоді виділяються фотони, завдяки яким можна проводити спостереження та досліди. 

Одним із перших таких дослідів був експеримент у золоторудному родовищі Гоумстейк, який наприкінці 60-х років ХХ століття провели вчені під керівництвом Раймонда Девіса (молодшого). Вони вперше в історії спостерігали сонячні нейтрино, що утворюються під час ядерного синтезу на Сонці. 

Після дослідів та обчислень науковці дійшли висновку, що кількість нейтрино, які вдалося помітити завдяки детекторам, була суттєво меншою, ніж вони передбачали: лише третина від загальної кількості, що очікувано мала би виділитися. Подальші експерименти у 80-х і 90-х роках щоразу підтверджували нестачу нейтрино, проте на той час ніхто з науковців не міг пояснити цього феномену. 

Інші вчені помітили таке ж загадкове явище в дослідженнях атмосферних нейтрино, що утворюються під час взаємодії космічного випромінювання з ядрами атомів в атмосфері. Вчені відзначали суттєві розбіжності між теоретичними розрахунками та кількістю нейтрино, які вдалося зафіксувати на практиці. 

Як учені створили теорію осциляції та випробували її на практиці

Аби пояснити феномен розбіжності між прогнозованою та фактичною кількістю нейтрино, японські науковці розробили теорію нейтринних осциляцій. Під час лекції Такаакі Кадзіта пояснив її так: нейтрино може змінювати свій вид з одного на інший, тобто «перемикатися» між трьома видами: електронним, мюонним і тау-лептонним. Цей процес назвали осциляцією та припустили, що він напряму залежить від маси нейтрино.

Аби перевірити ці припущення на практиці, команда 200 учених з 10 країн запустила нейтринну обсерваторію «Супер-Каміоканде» у префектурі Ґіфу в Японії. Вона має вигляд величезної цистерни з водою масою 50 тонн на глибині кілометру під землею. Стіни цистерни вкриті детекторами Черенкова, що використовують для спостереження за взаємодією нейтрино. Дослідження показали: кількість нейтрино, що надходять із того боку, де розміщена обсерваторія, відповідає попереднім розрахункам. Натомість нейтрино, які надходять з протилежного боку Землі, становлять лише половину очікуваної кількості. Вчені припускають, що «дефіцитна» половина осцилюється у процесі проходження крізь атмосферу та Землю. 

Схожого висновку дійшли вчені з нейтринної обсерваторії в канадському місті Садбері (SNO), що фіксувала сонячні нейтрино. Завдяки використанню важкої води (D2O) дослідникам вдалося розрізнити взаємодії і з усіма трьома видами нейтрино, і саме з електронними. Цього разу в розрахунках учених усе зійшлося: завдяки можливості вловлювати весь потік і вирізняти з нього електронні нейтрино, що склали третину всієї кількості, вдалося зіставити результати досліджень SNO та «Супер-Каміоканде». Дефіцит нейтрино тепер на практиці вдалося пояснити осциляцією, тобто перетворенням нейтрино одного типу на нейтрино іншого, а отже присутністю різних типів, які тепер вдалося розрізнити. Загальна кількість нейтрино, які зафіксували, нарешті зійшлася з теоретичними передбаченнями.

Чому дослідження нейтрино здатні змінити все, що ми знаємо про фізику?

З відкриття осциляцій випливає висновок, що нейтрино, попри попередні уявлення вчених, мають масу. Вона на 10 порядків менша за масу кварків і заряджених лептонів. Чому ж це знання важливе в контексті наших уявлень про світ?

Такаакі Кадзіта стверджує, що цей прорив є ключем до розуміння елементарних частинок і Всесвіту. Окрім цього, відкриття нейтринних осциляцій вимагає від учених переглянути стандартну модель фізики елементарних частинок. Науковець пояснює: ці знання можуть допомогти зрозуміти, чому ми живемо у Всесвіті, у якому існує матерія. 

Попередні напрацювання з фізики не давали змоги пояснити, чому після Великого вибуху у Всесвіті виникла ймовірна асиметрія між матерією та антиматерією, через що ми живемо у світі, що переважно складається з матерії. Раніше припускали, що існують невраховані частинки, що становлять невелику частку від загальної матерії, проте є вирішальними у цьому «протистоянні». Наразі спільнота вчених припускає, що цією крихітною масою можуть бути зокрема нейтрино.

Такаакі Кадзіта розповідає, що подальші дослідження справді допоможуть більше дізнатися про закони Всесвіту й пояснити ті явища, які раніше були для людства таємницею. Наразі вчених цікавить різниця між осциляціями нейтрино й антинейтрино. Аби поставити нові експерименти, що стосуються цього питання, вже зараз будують ще більші та потужніші нейтринні обсерваторії: зокрема це й «Гіпер-Каміоканде» в Японії, яку планують запустити 2027 року. У дослідженнях візьмуть участь близько 500 науковців з 20 країн, серед яких є й Україна.

Попереду ще багато цікавих лекцій! 

Посилання на форми реєстрації шукай на сайті МАН у розділі «Наукові івенти» ➡️ https://man.gov.ua/events 

І читай найцікавіше з інших лекцій серії ➡️

Про світлодіоди, шлях до «Нобелівки» та мрії: конспект лекції фізика Хіросі Амано

Про мозок, навчання уві сні та саморозвиток у складні часи: конспект лекції Барбари Оклі

Про пам’ять, орієнтацію у просторі та лікування хвороби Альцгеймера: конспект лекції Мей-Брітт Мозер

Фейки про рослин-мутантів, користь від ГМО і небезпека їхньої заборони: конспект лекції Річарда Джона Робертса

Про нейтрино та історію дослідження цієї частинки: конспект лекції Шелдона Лі Ґлешоу

Про вивчення нейронів, дослідження неврологічних хвороб і різницю між мозком і комп’ютером: конспект лекції Едварда Мозера

Про аквапорини, важливість їх дослідження та єднання націй через науку: конспект лекції Пітера Егра