Breakthrough Prize 2015
В этом плане нынешние премии «За выдающиеся открытия» особенно впечатляют. Так, в области физики они присуждены за то же открытие, что и Нобелевские премии по физике нынешнего года, но весьма от них отличаются - они присуждены всем 1377-ми (!!) участникам пяти экспериментов, в которых это открытие было сделано. Руководители этих групп получат по 600 тысяч долларов каждый, из которых две трети составит награда им самим, а третьи они должны поровну разделить между всеми членами своих групп. Это подчеркивает кооперативный дух современной физики и биологии. Зато в области математики премию получил (как и должно быть в этой области) один человек – калифорнийский математик Ян Аголь, внесший большой вклад в теорию поверхностей высших измерений, имеющую прямое отношение к проблемам кривизны пространства-времени.
А пять премий в области биологии поистине поразительны свой чуткостью к самым «горячим» направлениям современных наук о жизни. Здесь Карл Дейссерот из Стэнфорда и Эд Бойден из Кембриджа (Массачузетс) разделили премию за создание оптогенетики – выдающегося достижения самых последних лет, которое позволяет изучать работу отдельных нейронов в живом мозгу и даже управлять ею; Элен Гоббс из Техаса была удостоена премии за открытие генетических мутаций, влияющих на уровень холестерола у людей; Джон Харди из Лондона – за обнаружение мутаций в гене, управляющем созданием белка-амилоида, вызывающего болезнь Альцгеймера; м наконец знакомый всем, следящим за новостями в области палеоантропологии, Сванте Пээбо из Германии – за блистательную серию работ последних лет по расшифровке геномов древних Гомо сапиенс, неандертальцев и т.н. «денисовцев».
В этом плане нынешние премии «За выдающиеся открытия» особенно впечатляют. Так, в области физики они присуждены за то же открытие, что и Нобелевские премии по физике нынешнего года, но весьма от них отличаются - они присуждены всем 1377-ми (!!) участникам пяти экспериментов, в которых это открытие было сделано. Руководители этих групп получат по 600 тысяч долларов каждый, из которых две трети составит награда им самим, а третьи они должны поровну разделить между всеми членами своих групп. Это подчеркивает кооперативный дух современной физики и биологии. Зато в области математики премию получил (как и должно быть в этой области) один человек – калифорнийский математик Ян Аголь, внесший большой вклад в теорию поверхностей высших измерений, имеющую прямое отношение к проблемам кривизны пространства-времени.
А пять премий в области биологии поистине поразительны свой чуткостью к самым «горячим» направлениям современных наук о жизни. Здесь Карл Дейссерот из Стэнфорда и Эд Бойден из Кембриджа (Массачузетс) разделили премию за создание оптогенетики – выдающегося достижения самых последних лет, которое позволяет изучать работу отдельных нейронов в живом мозгу и даже управлять ею; Элен Гоббс из Техаса была удостоена премии за открытие генетических мутаций, влияющих на уровень холестерола у людей; Джон Харди из Лондона – за обнаружение мутаций в гене, управляющем созданием белка-амилоида, вызывающего болезнь Альцгеймера; м наконец знакомый всем, следящим за новостями в области палеоантропологии, Сванте Пээбо из Германии – за блистательную серию работ последних лет по расшифровке геномов древних Гомо сапиенс, неандертальцев и т.н. «денисовцев».
***********************************************************************************************************************8
Самая малая и самая награжденная
Нобелевская премия по физике за 2015 год была четвертой по счету, присужденной за исследования одной и той же элементарной частицы (предыдущие три – в 2002, 1995 и 1992 годах) но – не последней: пятой стала присужденная за то же самое премия «За выдающиеся открытия» того же года.
Этой частицей является нейтрино, которую многие физики считают самой удивительной из элементарных частиц – всех этих электронов, протонов, кварков и так далее. Самая удивительная или нет, несомненно, во всяком случае, что она связана со многими фундаментальнейшими загадками природы.
Она и была открыта в ходе решения одной такой загадки, причем открыта сначала на конце пера. Изучая т.н. бета-распад радиоактивных ядер, при котором выделяются электроны, ученые заметили, что на выходе реакции суммарная энергия и момент движения меньше, чем на входе, и тогда Паули постулировал, что недостающее уносит некая трудноуловимая из-за ее малости частица. В 1934 г. Ферми разработал теорию бета-распада с учетом этой частицы, которую он шутливо назвал «нейтрино» («маленький нейтрончик» по-итальянски); интересно, что его статью поначалу не приняли в Nature , заявив, что она «далека от реальности». Науке пришлось ждать еще 22 гоголда. Пока в 1956 г. Кован и Райнес обнаружили нейтрино в прямом экспериментам (а им самим пришлось ждать еще почти 40 лет, пока Нобелевский комитет признал их открытие достойным своей премии; это произошло в 1995 г.).
Причина трудной уловимости нейтрино состяола в том, что эта частица крайне мало взаимодействуют с другими частицами материи. Достаточно привести одну цифру: каждую секунду через каждый кв.сантиметр земной поверхности проходят 65 млн нейтрино, испускаемых в ходе ядерных реакций на Солнце, - и это происходит без всяких последствий.
Со временем выяснилось, что нейтрино бывают разные. В ходе бета-распада вместе с электроном выделяется электронное нейтрино (точнее, анти-нейтрино), а в 1962 г. Ледерман и его коллеги обнаружили, что в ходе реакций с другой легкой заряженной частицей, т.н. мюоном, выделяются нейтрино другого вида – мюонные (это открытие прождало Нобелевской премии «всего» 26 лет). Так что когда в 1975 году был открыт третий вид легких заряженных частиц, т.н. тау-частицы, все уже ожидали, что будет найден и тау-нейтрино – и действительно, в 2000 г. был обнаружен такой вид бета-распада, в котором вместе с частицей тау выделялся и тау-нейтрино.
В эти же годы было сделано еще одно выдающееся открытие в этой области – были экспериментально обнаружены электронные нейтрино, идущие от Солнца. Сначала Дэвис в Америке, а потом Кошиба в Японии нашли их, поместив огромные резервуары с жидкостью в глубоких шахтах и наблюдая за вспышками света, которые появлялись, когда солнечные нейтрино изредка сталкивались с атомными ядрами жидкости. Попутно Кошиба обнаружил также нейтрино, испускаемые при взрыве сверхновых звезд. Все эти невероятно трудоемкие измерения продолжались в обеих странах пор несколько десятилетий подряд (чтобы набрать убедительное число вспышек) и были по заслугам удостоены Нобелевской премии 2002 г. Одновременно эти эксперименты выявили очередную загадку нейтрино: трижды перепроверенное число солнечных нейтрино оказалось втрое меньше того, что предсказывала совершенно точная теория.
Решение этой загадки нашел теоретик Бруно Понтекорво. Он высказали мысль, что нейтрино разных видов могут превращаться друг в друга. Поскольку этих видов три, то электронных нейтрино в потоке, идущем от Солнца, как раз и должна быть одна треть от общего числа всех нейтрино, испускаемых Солнцем. Такое превращение называется нейтринными осцилляциями. Установки Дэвиса и Кошибы могли регистрировать только солнечные нейтрино, поэтому для проверки идеи Понтекорво пришлось строить новые подземные резервуары и проводить новые длительные эксперименты. Вот они-то и были удостоены двух премий 2015 года.
Доказательство реальности нейтринных осцилляций немедленно вывело физику на целый ряд фундаментальных вопросов. Прежде всего, теория предсказывала, что осцилляции нейтрино возможны лишь в том случае, если они имеют массу. Ранее в т.н Стандартной Модели ядерной физике, суммирующей все современные данные о природе вещества на самом глубоком уровне, считалось, что нейтрино массы не имеет (и движется в вакууме со скоростью света). Подправить Стандартную Модель оказалось нетрудно, но вопрос остался: откуда эта масса и какова она? Все остальные элементарные частицы получают свою массу за счет взаимодействия с полем частиц Хиггса, но нейтрино по своим свойствам таковы, что с этим полем не взаимодействуют. Точное значение их массы тоже неизвестно, и хотя теоретики думают, что каждый тип нейтрино имеет свою массу, сама эта масса в любом случае очень мала. Теория возникновения вселенной в ходе Большого Взрыва (Биг Бэнга) привела к выводу, что в излучении, оставшемся от этого взрыва (т.н. остаточное космическое излучение) должно быть определенное соотношение числа нейтрино и числа фотонов. Это ведет к выводу, что суммарная масса трех нейтрино разных видов не может превышать определенную малую величину, иначе вселенная «схлопнется». Но пока никто из физиков не нащупал истинное значение этой суммы. Так что дело висит, так сказать, на волоске: если масса нейтрино окажется больше предельной, придется пересматривать теорию возникновения вселенной.
Еще один фундаментальный вопрос, связанный с нейтрино, состоит в том, как оно отличается от своей античастицы, уже упоминавшегося выше анти-нейтрино? Другие частицы отличаются от своих античастиц зарядом или какой-нибудь иной характеристикой, но у нейтрино таких различий нет. Поэтому у некоторых ученых возникло подозрение, что нейтрино и антинейтрино могут быть одной и той же частицей, только ведущей себя по-разному. Если бы это удалось подтвердить это открыло бы путь к решению одной из мучительнейших загадок современной физики – куда делось анти-вещество, которого при возникновении вселенной должно было быть ровно столько же, сколько обычного вещества? Новейшие теории говорят, что исчезновение почти всего анти-вещества было связано с его иным поведением в некоторых реакциях, которые должны были проходить в ранней вселенной. Выявление разницы в поведении нейтрино и анти-нейтрино могло бы сильно подкрепить эту гипотезу.
Путь к такой проверке известен – это изучение т.н. двойного бета-распада. В такой реакции одновременно распадаются два протона (или нейтрона) и выделяются два электрона и два анти-нейтрино. Обычно выделение анти-частицы равносильно поглощению частицы и наоборот, но если нейтрино и анти-нейтрино - это одна и та же частица (такие частицы имеют специальное название «частиц Мажорана»), то выброс станет равносилен поглощению, и при наличии сразу двух таких частиц выброс из одного протона компенсируется поглощением в другом (или наоборот). Иными словами, двойной бета-распад должен будет стать без-нейтринным. Сейчас в ряде стран готовится новая серия длительных экспериментов, на этот раз - по двойному бета-распаду, которые призваны проверить, что же будет на самом деле.
Но список фундаментальных вопросов, связанных с этой крохотной частичкой, не кончается и на этом. Некоторые теоретики высказывают предположение, что то загадочное «темное вещество», которое составляет более 70% всего вещества вселенной, может состоять из нейтрино. Правда, те нейтрино, которые до сих пор изучали физики, для этого не подходят – из-за своей малой массы они движутся очень быстро, близко к скорости света, и вещество, состоящее из таких частиц, должно быть очень горячим. Между тем сегодня известно, что облака темного вещества находится чуть ли не во всех галактиках и играют роль тех «притягивающих центров», вокруг которых собираются крупицы обычного вещества, из которых затем рождаются звезды. И эти облака темного вещества отнюдь не обнаруживают таких высоких температур. Но, оказывается, теория нейтрино допускает и существование иных, очень массивных и потому медленно движущихся («холодных») нейтрино, и их скопления вполне могли бы подойти на роль холодного темного вещества. Однако, теория теорией, а существуют ли такие массивные нейтрино в действительности?
Список фундаментальных вопросов мироздания, связанных с нейтрино, можно было бы продолжить, но мы остановимся на сказанном. Можно думать, что и этого достаточно, чтобы понять, за что присуждают самые важные научные премии и какая долгая дорога лежит еще перед исследователями самой малой частицы во вселенной.
Рафаил Нудельман
"Окна", 24.12.2015