EN

К столетию Бруно Понтекорво

22 августа 2013 года исполняется сто лет со дня рождения выдающегося российского физика итальянского происхождения Бруно Максимовича Понтекорво (Bruno Pontecorvo, 1913-1993), который внес фундаментальный, определяющий вклад в развитие современной физики элементарных частиц и физики нейтрино. Начиная с 1950 года, академик Б.М. Понтекорво жил в Дубне и работал в Объединенном институте ядерных исследований. На физическом факультете МГУ мы гордимся тем, что на протяжении многих лет академик Б.М. Понтекорво возглавлял кафедру физики элементарных частиц и был членом Ученого совета нашего факультета.


Бруно Понтекорво родился в семье итальянского промышленника в известном историческом и университетском городе Пиза. После окончания школы он поступил на инженерный факультет в университете Пизы, а затем перешёл на третий курс факультета физики и математики Римского университета, где вскоре приступил к научным исследованиям взаимодействий нейтронов с ядрами под руководством нобелевского лауреата Энрико Ферми. Во второй половине 30-х годов XX века Б. Понтекорво работал в институте радия в Париже под руководством другого нобелевского лауреата Федерико Жолио-Кюри. За открытие явления ядерной фосфоресценции (возбуждение метастабильных состояний бета-стабильных изотопов гамма-квантами) Б. Понтекорво получил премию Кюри-Карнеги. В начале 40-х годов жил в США и занимался зондированием нефтяных скважин с использованием геофизических методов. Затем, уже в Канаде, участвовал в разработке самого мощного для того времени исследовательского реактора на тяжелой воде и приступил к проведению исследований собственно по физике элементарных частиц. Б. Понтекорво впервые указал на существование аналогии между взаимодействиями мюонов и электронов и высказал гипотезы о существовании единого универсального µ-e слабого взаимодействия, которое характеризуется единой константой Ферми. Примечательно, что само название «слабые взаимодействия» было введено Б. Понтекорво.
Безусловно, мировую славу Бруно Понтекорво принесли его фундаментальные исследования и результаты по физике нейтрино.
Остановимся кратко на истории развития физики нейтрино и укажем на выдающиеся результаты, принадлежащие Бруно Понтекорво, каждый из которых, безусловно, заслуживает присуждения Нобелевской премии по физике.
История открытия нейтрино
Увлекательная история нейтрино начинается в 20-х годах прошлого века, когда, подгоняемые бурным развитием квантовой теории, проводились многочисленные эксперименты по исследованию радиоактивных распадов различных ядер. В то время считалось, что в результате распада исходное ядро переходит в более легкое дочернее и при этом испускаются бета-лучи, то есть электроны. Однако, к большому удивлению исследователей того времени рождающиеся электроны имели не монохроматический спектр энергий, а распределённый в некотором конечном диапазоне, что, как казалось, противоречит закону сохранения энергии.
Указанная проблема повергла в смятение лучшие умы, так что даже один из основоположников квантовой теории и уже ставший к тому времени лауреатом Нобелевской премии Н. Бор писал, что «на современном этапе развития теории атома нет оснований придерживаться концепции сохранения энергии при ядерных распадах».
Более консервативным в отношении к закону сохранения энергии при решении сложившейся проблемы был В. Паули, который позже тоже станет нобелевским лауреатом за фундаментальный вклад в развитие квантовой физики.
Решение проблемы бета-распада В. Паули изложил в своём письме, адресованному участникам Международной конференции по ядерной физике, которая проходила в декабре 1930 года в немецком Тюбингене. Для того чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули выдвинул гипотезу о существовании новой ранее неизвестной элементарной частицы, которую назвал «нейтрон»1 и которая должна рождаться вместе с электроном при ядерном бета-распаде. В этом письме В. Паули писал: «Я рассмотрел возможность сохранить справедливость закона сохранения энергии. А именно, предлагаю существование нейтральной частицы и называю её «нейтроном»… Эта частица рождается при бета-распаде вместе с электроном таким образом, что сумма их энергий остаётся постоянной. Допускаю, что моё предложение может выглядеть сомнительным. Но, выигрывает только тот, кто рискует!». Если учесть существование частицы Паули, то тогда, действительно, энергия электронов, появляющихся в результате одного и того же распада, может принимать различные значения без нарушения закона сохранения энергии.
После открытия настоящего нейтрона Э. Ферми переименовал «нейтрон» В. Паули на итальянский манер — в «нейтрино», что означает «нейтрончик».
Значимость догадки о существовании нейтрино и предсказанная необычность свойств новой частицы смущали даже самого автора гипотезы В. Паули. Он писал своему другу, известному астрофизику физику Вальтеру Бааде: «Сегодня я совершил то, что физик не должен делать никогда. Я предсказал нечто, что никогда не будет наблюдаться экспериментально». Того же мнения о возможности обнаружения нейтрино в экспериментах придерживалось абсолютное большинство физиков того времени. Так, нобелевский лауреат Х. Бете и его соавтор Р. Пайерлс в большой обзорной статье, озаглавленной просто «Нейтрино» и опубликованной в самом авторитетном научном журнале Нейчур (Nature) в 1934 году, утверждали, что «не существует никакой возможности обнаружить нейтрино».
Отмеченные уже в самом начале исследований нейтрино уникальные её свойства — крайне слабо и редко взаимодействовать с другими частицами — определяет особую роль этой частицы. Нейтрино может беспрепятственно распространяться на громадные расстояния. Например, нейтрино наподобие тех, которые генерируются в недрах Солнца, могут проходить в обычном веществе расстояние, которое проходит свет в вакууме за 300 лет! Нейтрино практически свободно проникают повсюду, принося с собой информацию как из недр звёзд, так и из ранее недоступных и загадочных уголков нашей Вселенной.
Прошли годы, прежде чем в 1946 году Бруно Максимович Понтекорво указал, что вопрос об обнаружении нейтрино в эксперименте следует ставить в практической плоскости и предложил для детектирования нейтрино использовать процесс, обратный бета-распаду. Предложенный Б. Понтекорво так называемый радиохимический хлор-аргонный метод был использован Ф. Райнесом и К. Коуэном в экспериментах по регистрации нейтрино на потоках частиц от реактора в 1956 году, что впервые доказало существование нейтрино. За это открытие Ф. Райнесу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия2.
В соответствии с современной терминологией эксперименты Ф. Райнес и К. Коуэн подтверждают существование электронного нейтрино. Сейчас известно, что есть ещё два других сорта нейтрино — это мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Мюонное нейтрино было впервые обнаружено в 1962 году в экспериментах, выполненных Л. Ледерманом, М. Шварцем и Д. Стейнбергером, за что всем троим была вручена Нобелевская премия в 1988 году. Третий сорт нейтрино — тау-нейтрино — был открыт совсем недавно (2000 год) в экспериментах под руководством той же группы ученых.
Укажем, что нейтрино каждого из трёх сортов (электронное, мюонное или тау-нейтрино) связано с соответствующим обычным заряженным лептоном (это электрон, мюон или тау-лептон) того же сорта или, использую принятую терминологию, флейвора (аромата). Нейтрино определенного сорта (флейвора) может взаимодействовать только с лептоном того же сорта (флейвора). Причем фиксируя последний в эксперименте, мы можем узнать о присутствии нейтрино соответствующего сорта (флейвора).
До недавнего времени вся совокупность экспериментальных данных об элементарных частицах говорила о том, что количество частиц одного и того же флейвора не может измениться ни при каких взаимодействиях (распадах и превращениях) элементарных частиц. Другими словами, считалось, что закон сохранения флейвора является незыблемым. Однако новейшее развитие физики нейтрино доказывает, что при взаимодействиях с участием нейтрино может произойти нарушение закона сохранения флейвора.
Проблема солнечных нейтрино
Одним из важных источников нейтрино на земле является Солнце. При их изучении была обнаружена удивительная аномалия — поток солнечных нейтрино, регистрируемый в земных экспериментальных установках, оказываются значительно ниже, чем должно быть по расчетам теоретиков. Это так называемая «проблема солнечных нейтрино».
Исходно поток солнечных нейтрино состоит из электронных нейтрино, возникающих в термоядерных реакциях в глубине Солнца. Впервые на возможность регистрации существенно меньшего количества солнечных нейтрино в наземных экспериментах по сравнению с исходным количеством нейтрино, испускаемых Солнцем, то есть на подавление потока солнечных нейтрино, было указано Б.М. Понтекорво в 1967 году.
Тремя годами позже американский физик Р. Дэвис, работая глубоко под землей в золотой шахте Хоумстейк в Южной Дакоте, показал, что поток солнечных нейтрино, попадающих на Землю, втрое меньше, чем предсказывали теоретические расчеты ядерных реакций на Солнце. За экспериментальное обнаружение подавления потока солнечных нейтрино Р. Дэвису в 2002 году была присуждена Нобелевская премия за вклад в нейтринную астрофизику.
Cмешивание и осцилляции нейтрино
Настойчивые попытки найти решение проблемы солнечных нейтрино, то есть понять и объяснить причину подавления потоков нейтрино от Солнца в экспериментальных установках3, позволило обнаружить удивительное свойство нейтрино, которое, несомненно, является важнейшим открытием в физике элементарных частиц.
На основании проведенных многочисленных наблюдений за потоками нейтрино, был сделан вывод, что изменение содержания различных сортов нейтрино в общем потоке происходит по гармоническому закону в зависимости от пройденного нейтрино расстояния. Поэтому говорят об осцилляциях нейтрино. Благодаря данному замечательному свойству нейтрино кардинальным образом отличается от всех известных обычных элементарных частиц, которые не могут осциллировать.
Эффект осцилляций нейтрино между различными сортами (флейворными состояниями) является единственным способом решения как проблемы солнечных, так и атмосферных нейтрино, и, таким образом, факт существования осцилляций нейтрино считается доказанным. 
Следует также особо подчеркнуть, что осцилляции нейтрино невозможны без существования фундаментальной взаимной внутренней связи различных сортов нейтрино, которая называется смешиванием между различными сортами (флейворами) нейтрино. Данное явление, то есть наличие смешивания различных типов нейтрино и, как следствие, возможность осцилляций нейтрино, было предсказано Б.М. Понтекоров в 1957 году. 
Столетнему юбилею Б.М. Понтекорво посвящаются научные мемориальные конференции, которые состоятся в сентябре в ОИЯИ (Дубна) и на родине ученого в Пизе и Риме (Италия). 
Проходящая по нечетным годам МГУ Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц (16-я по счеты) откроется на физическом факультете 22 августа сего года — в день столетия Б.М. Понтекорво. В научную программу конференции включены многочисленные доклады по актуальным проблемам физики элементарных частиц, гравитации и космологии, представленные учеными ведущих мировых научных центров и университетов. Особое внимание будет уделено проблемам физике нейтрино. Юбилей Б.М. Понтекорво на 16-й Ломоносовской конференции будет отмечен проведением в рамках научной программы международного симпозиума «Удивительное нейтрино: от Паули, Ферми и Понтекорво до перспектив сегодняшнего дня». 
Приглашаем всех интересующихся физикой элементарных частиц и физикой нейтрино принять участие в конференции. Оргкомитет конференции располагается в аудитории 1-51, тел.: 939-16-17. 
А.И. Студеникин, 
профессор кафедры теоретической физики, 
директор 
Научно-образовательного центра 
«Лаборатория физики нейтрино и астрофизики» 
физического факультета МГУ, 
член Научного совета РАН 
«Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»
[1] Настоящий нейтрон был открыт Дж.Чедвиком в 1932 году.
[2] К сожалению, К.Коуэну не суждено было дожить до этого триумфа совместного открытия.
[3] Подобное подавление количества нейтрино в настоящее время также наблюдается в многочисленных экспериментах с использованием потоков нейтрино от реакторов и ускорителей элементарных частиц, а также в потоках атмосферных нейтрино.

Назад