Вы можете сейчас сказать – какое мне дело до какого-то там нейтрино? Какое это вообще имеет отношение ко мне и моей семье? Ведь это что-то очень далёкое, что-то изучаемое в ускорителях частиц, зарытых глубоко под землю. Расскажите лучше, как на даче теплицу подешевле построить. Или там насос какой починить в пропитанном машинным маслом гараже. Всё больше пользы будет.
Да, Вы, наверное, правы. Но частица нейтрино сама о себе не расскажет.
Неизмеримое количество нейтрино
И сейчас я приведу Вам один головокружительный факт – через Ваше тело каждую секунду проходит примерно двести триллионов нейтрино! Да, я не ошибся: за то время, пока Вы читаете каждое слово этого предложения, через Вас проходит около 200 000 000 000 000 этих частиц!
Хотите знать почему? Тогда отложите в сторону своё рукоделие или слесарные инструменты и продолжайте читать.
К 1930 году учёным относительно хорошо был известен процесс бета-распада, при котором свободный нейтрон примерно через 15 минут в среднем распадается на протон и электрон. Всех этот процесс вполне устраивал. Потому что он был прост: вот нейтрон. Вот протон и электрон. Всё чётко вроде. Вследствие этого все люди были спокойны и доброжелательны по отношению друг к другу.
Однако в итоге оказалось, что не всё так просто. Поскольку выяснилось, что в ходе бета-распада не выполняются законы сохранения энергии и количества движения. Энергия и импульс нейтрона оказались больше, чем у образовавшихся протона и электрона. Однако никаких других частиц при этом не наблюдалось.
Ситуация была аховая. Фондовые биржи демонстрировали падение ключевых показателей, а в городах начались акции протеста. И тогда физик-теоретик Вольфганг Паули решил избавить человечество от этой напрягавшей всех ситуации. Он предложил возможное решение проблемы: такая непростая ситуация сложилась потому, что при бета-распаде рождается какая-то неизвестная частица. Частица-призрак, если можно так сказать. И учёные просто не могут её увидеть. Но именно она забирает недостающие энергию и импульс. Паули предположил, что эта частица должна иметь крайне низкую массу, или не иметь массы и заряда вовсе.
Ситуация в мире сразу же нормализовалась. Демонстранты побросали плакаты прямо на тротуары, и угрюмо разошлись по своим хижинам. Рынки стабилизировались. Скучная жизнь землян вошла в привычное русло.
Маленький нейтрон
Нужно было срочно дать имя для новой неуловимой частицы. Пока про неё никто не забыл. И это сделал ради всего человечества гениальный Энрико Ферми. Он рассуждал так: поскольку у новой частицы нет заряда, и её очень трудно увидеть, и, вероятно, у неё нет массы, тогда что? Правильно. Это «очень маленькая незаряженная частица». Что-то вроде «мини-нейтрона». Этакий «нейтрончик». Что по-итальянски звучит как «нейтрино». Всё просто на самом деле. Как пионерская панамка.
Итак, существование частицы-невидимки было предсказано. И она даже получила имя. Однако прошло целых 26 лет с момента появления гипотезы Паули, прежде чем эту частицу удалось наконец обнаружить. Это случилось лишь в 1956 году. Группа учёных под руководством американских физиков Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса объявила, что нейтрино действительно существует. Кстати, это открытие принесло им Нобелевскую премию. С небольшим опозданием – в 1995 году.
Оказалось, что нейтрино – это лептон, как и электрон. Все мы помним конечно же, что лептон – это фермион, не участвующий в сильном ядерном взаимодействии, отвечающем за объединение протонов и нейтронов в атомы. Но в отличие от электрона нейтрино также не чувствует и электромагнитной силы, потому что не имеет заряда. Почти единственным взаимодействием, на которые он способен, является гравитационное. Но при этом оно очень слабое. И ещё нейтрино участвует в слабом ядерном взаимодействии. Именно оно отвечает за бета-распад, порождающий нейтрино.
Имея подобные свойства, нейтрино может проходить через просто гигантские объёмы материи, почти никак не взаимодействуя с ней. Ему нужно, например, столкнуться «лоб в лоб» с протоном, чтобы образовались нейтрон и позитрон. Но, конечно, шансы на это ничтожны. Поэтому нейтрино очень трудно остановить и обнаружить. Но есть и хорошая новость. Поскольку нейтрино практически нельзя остановить, они совершенно не опасны для людей и кошек. Так как проходят сквозь них, не взаимодействуя с формирующей их материей.
Вскоре после того, как экспериментально было обнаружено, что нейтрино существует, оказалось, что существует три вида нейтрино: одно связано с электроном, а два других связаны с двумя другими лептонами: мюоном и тауоном.
Дети Солнца
Каждое нейтрино может принимать участие в ядерных реакциях, в которых появляется какой-то соответствующий лептон. Поэтому недостаточно сказать просто «нейтрино». Чтобы не возникло путаницы при проведении каких-нибудь экспериментов на дому с обычными бытовыми коллайдерами, всегда нужно уточнять, какое именно это нейтрино. Поскольку есть электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Например, при бета-распаде образуется электрон, поэтому нейтрино, которое там участвует, должно быть электронным. Запомните это, друзья мои. Это очень важно.
Кроме того, у нейтрино есть античастица – антинейтрино. И интересно вот что – та частица, которую Паули предложил для объяснения распада нейтрона на протон и электрон, это не нейтрино. Это на самом деле электронное антинейтрино!
Нейтрино образуются разными способами: например, когда четыре протона объединяются, образуя ядро гелия в ядерном синтезе, два из них становятся нейтронами, испуская электронные нейтрино (среди прочего). Такие нейтрино в огромном количестве производит Солнце. И они очень интересны. Поскольку другим частицам и излучению, испускаемым Солнцем, требуется много лет, чтобы покинуть его из-за его огромной плотности. Но нейтрино на это чхать с высокой колокольни: они вылетают из Солнца так, как будто на их пути ничего нет (ну, почти).
Поэтому через Землю все время проходит просто колоссальное количество нейтрино, исходящих от Солнца.
Каждый квадратный сантиметр поверхности любого предмета на Земле получает около семидесяти миллиардов нейтрино в секунду. Это означает, что каждую секунду на Землю попадает около 90 000 000 000 000 000 000 000 000 000 нейтрино. Это одна из тех цифр, которые мне трудно осознать. И если вам, друзья мои, знакомо это число, напишите его название в комментариях.
Конечно же все эти нейтрино проходят через Землю почти не осознавая этого. Хотя некоторые все-таки неосторожно ударяются о нуклон и при этом исчезают. Однако подобные события происходят крайне редко.
Чтобы дать вам представление о том, как трудно их остановить, давайте проведём небольшой мысленный эксперимент.
Световой год свинца
Представьте, что Вашему непосредственному начальнику пришла в голову гениальная идея: нужно срочно построить барьер, который остановит половину солнечных нейтрино, достигающих какого-то подсобного помещения или каптёрки. Например, с помощью свинцовой стены. Он вызывает Вас к себе в кабинет и спрашивает: какой толщины должна быть такая стена? Вы просите час на расчёты и удаляетесь на свой рабочее место, оборудованное специальными арифмометрами. Итак, результат получен. Он шокирует. Готовы? Толщина свинцовой стены, способной остановить половину солнечных нейтрино должна иметь значение… один световой год! У начальства вряд ли найдётся в ответ на эту информацию пара нормальных слов. Только одни неприличные эмоции. Однако задача поставлена: до конца рабочего дня изготовить хотя бы макет такой стены. Для демонстрации высшему руководству. И чтобы лампочки там всякие мигали!
Нейтрино образуются и при ядерном делении. Как искусственном (на атомных электростанциях), так и естественном. Одни нейтрино обладают большей энергией, другие – меньшей. Иногда их бывает очень много. Например тех, что рождаются в сверхновой, когда скорости термоядерных реакций ускоряются на много порядков. И этим активно пользуются астрономы. Ведь в сверхновой плотность настолько большая, что очень трудно получить хоть какую-то информацию о том, что происходит у неё внутри. Однако «скользкие» нейтрино ускользают оттуда без проблем. И дают учёным необходимую информацию.
Поначалу учёные думали, что у нейтрино совсем нет массы. Однако сегодня науке известно, что это не так. Она у них есть. Но очень маленькая – менее одной десятитысячной массы электрона.
Вот такая вот интересная частица, этот нейтрино. Или эта?
Всем добра!
________________________________________________________________________________
Дорогой друг! Если Вы хотите поблагодарить авторов, проявляйте активность! Подписка, репост, лайк, комментарий – всё это очень просто на самом деле! И абсолютно бесплатно, кстати. Огромное спасибо!
Вам могут понравиться эти подборки:
Приключения американцев на Луне