Уже найдены пропавшие солнечные нейтрино?
Проблема энергии Солнца долгое время беспокоила физиков и астрономов, и только в 1930-х годах учёные поняли, что энергия Солнца происходит от ядерного синтеза в его ядре. Теория ядерного синтеза хорошо объясняла различные наблюдения Солнца, но одно явление не соответствовало теоретическим предсказаниям, что озадачило астрономов на многие годы.
Согласно законам ядерного синтеза, если в ядре Солнца действительно происходит масштабная термоядерная реакция, то должно быть большое количество нейтрино. Нейтрино — очень странная частица, которая не имеет электрического заряда и, согласно Стандартной модели, описывающей взаимодействие элементарных частиц, имеет нулевую массу покоя. Кроме того, нейтрино не участвуют в электромагнитном взаимодействии и сильном взаимодействии внутри ядер атомов, поэтому они обладают очень высокой проникающей способностью, и "поймать" их очень сложно.
Чтобы проверить теорию ядерного синтеза в ядре Солнца, учёные должны были разработать специальные методы измерения фактического количества солнечных нейтрино. Для этого американский физик Дэвид Дэвис провел исторический эксперимент по измерению солнечных нейтрино в глубоком золотом руднике в Южной Дакоте, США, на глубине 1,5 км. Однако результаты, полученные в 1968 году, показали, что фактическое количество солнечных нейтрино составляло всего одну треть от предсказанного теорией. Большое количество солнечных нейтрино пропало!
Позже учёные усовершенствовали методы измерения, и японский учёный Масатоси Косака возглавил эксперимент по обнаружению нейтрино в Судзука, Япония, который вновь подтвердил аналогичное явление. На некоторое время загадка исчезновения солнечных нейтрино стала горячей темой для обсуждения среди учёных. Где была ошибка? Астрономы ошиблись? Энергия Солнца не исходит от ядерного синтеза? Или физики ошиблись в теории нейтрино?
Сначала учёные подумали об изменении стандартной модели Солнца. Однако результаты гелиосейсмологических исследований показали, что модель Солнца не имеет недостатков, и никакие изменения модели не могут соответствовать фактическим измерениям нейтрино, а любые изменения модели приведут лишь к ещё большим противоречиям в других областях.
Учёные были вынуждены попытаться исправить теорию нейтрино, предложив концепцию "колебаний нейтрино". В настоящее время известно три типа нейтрино: электронное, мюонное и тауонное. Теория колебаний нейтрино утверждает, что различные типы нейтрино могут превращаться друг в друга. Таким образом, часть электронных нейтрино, испускаемых Солнцем, могут превращаться в другие типы нейтрино во время их путешествия. Поскольку современные методы измерения могут обнаруживать только электронные нейтрино, это создаёт иллюзию нехватки солнечных нейтрино. Однако эта теория также означает, что масса покоя нейтрино не равна нулю, что ставит под сомнение многие фундаментальные представления в физике элементарных частиц и требует строгих научных экспериментов для проверки.
В 1998 году японский детектор Super-Kamiokande впервые обнаружил точные доказательства реального существования колебаний нейтрино, в ходе которых мюонные нейтрино действительно превращались в тауонные. В 2001 году Канадская нейтринная обсерватория в Садбери опубликовала новые результаты измерений, обнаружив все три типа солнечных нейтринов, из которых только 35% были электронными. Общее количество потока всех трёх типов солнечных нейтринов хорошо соответствовало предсказаниям стандартной модели Солнца, полностью разрешая ранее наблюдаемую проблему нехватки солнечных нейтрино.
В 2002 году Дэвид Дэвис, возглавлявший первый эксперимент по измерению нейтрино, и Такааки Косака, руководивший детектором Kamiokande, получили Нобелевскую премию по физике за свой вклад в физику элементарных частиц, который будет навсегда запечатлен в памяти будущих поколений вместе с загадкой таинственных нейтрино.