Прошедший на этой неделе XI Новосибирский инновационно-инвестиционный форум в очередной раз высветил проблему внедрения научных разработок, реализации инновационных проектов и преодоления разрыва между наукой и промышленностью. Этой теме организаторы форума (конкретно – департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии г. Новосибирска) посвятили отдельный круглый стол, куда были приглашены представители новосибирских вузов, академических институтов и промышленных предприятий. И хотя единодушия в оценке текущей ситуации не наблюдалось, разговор получился на редкость откровенным.

Так, советник Ректора НГУ по вопросам трансфера и коммерциализации технологий Леван Татунашвили прямо заявил о том, что между реальной экономикой и наукой никакой связи сейчас нет.

Не все были согласны с такой постановкой вопроса (например, представители НГТУ), однако при детальном рассмотрении  предложений и проектов, представляемых учеными,  вырисовывается в целом не особо радостная картина: ученые, действительно, очень часто далеки от сложившихся экономических реалий. Мало того, нередко происходит так, что проекты, которые с пылом и жаром продвигаются теми или иными институтами, лишь отражают чисто научный интерес его авторов, абсолютно игнорирующих сугубо экономические составляющие. И когда подобные проекты встречают прохладное отношение со стороны потенциальных инвесторов или заказчиков, разработчики привычно списывают это нежелание идти им навстречу на «неготовность» бизнеса или государственных структур заниматься инновациями (лично мне неоднократно приходилось выслушивать сентенции институтских разработчиков насчет «тупых» чиновников и «алчных» бизнесменов).

Надо ли ученым вникать в тонкости рыночной конъюнктуры, осуществляя свои разработки? – вопрос отнюдь не риторический. Этот вопрос актуальный, и как раз в настоящее время он бурно дискутируется. Однозначного ответа на него нет. Как правило, эксперты, непосредственно включенные в рыночные отношения, оценивают потенциал научных разработок (а равно и пригодность самих научных исследований) исключительно по рыночной шкале: есть продажи и прибыль – работа поставлена правильно. Нет продажи и прибыли – значит, бездельники, лузеры или отставшие от жизни «совки». Естественно, представители научного сообщества не столь категоричны в оценках и суждениях.

По мнению начальника отдела инновационной, прикладной и внешнеэкономической деятельности Института теплофизики СО РАН Людмилы Перепечко, академические институты не обязаны заниматься коммерцией. Их профильная задача – получать новые знания. Задача университетов – учить и готовить кадры.

По-хорошему, при академических институтах и университетах должны существовать специальные офисы трансфера технологий, занимающиеся заключением лицензионных договоров с предприятиями и коммерческими организациями. Такова, собственно, мировая практика. В нашей стране научные организации пока еще заключают договора по проведению НИОКР, что, по сути дела, является заполнением той лакуны,  которая образовалась после ликвидации отраслевых институтов. Скорее всего, возникшее положение вещей не может являться нормой. Возможно, мы просто имеем дело с вынужденной «компенсацией» (стихийно появившейся в силу известных политических и экономических обстоятельств). И именно этот момент как раз и вносит сумятицу и является, наверное, главной причиной того, почему проблема внедрения инновационных проектов и разработок по сию пору сохраняет свою остроту. 

Отметим, что при расхождении позиций относительно степени вовлеченности ученых в коммерческую практику, вопрос о создании офиса трансфера технологий вызвал некоторое единодушие. Леван Татунашвили допустил возможность создания такой площадки на территории НГУ. В принципе, это может быть своего рода центр компетенций (модное ныне понятие), способный осуществлять консультативную деятельность по тем или иным областям знаний, востребованных в «реальной экономике». Возможно создание центра инжиниринга (тоже модное понятие). По крайней мере (если речь идет конкретно об НГУ), здесь можно начать с тех областей, где не требуется сложная, капиталоемкая инфраструктура. Например, сюда может войти всё то, что связано с информационными технологиями. Сегодня, как мы знаем, достаточно востребованы интеграционные проекты, направленные на создание «умных систем» в жилищно-коммунальном хозяйстве и энергетике. Именно здесь наши ученые, считает Леван Татунашвили, могли бы предложить свои компетенции.

Добавим от себя, что вопрос о создании такой площадки на территории Академгородка еще весной обсуждался в департаменте промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска.

По мнению начальника департамента – Александра Люлько – компетенции новосибирских ученых очень сильно помогли бы городскому хозяйству, и в этом смысле мэрия готова поддержать создание подобного центра. Не исключено, что именно со стороны руководителей города могут последовать какие-то шаги по продвижению инновационных проектов.

 Если в инновациях действительно есть такой четко осознанный практический интерес, то это так или иначе потребует создания неких организационных структур, способных интегрировать научные и коммерческие организации для достижения конкретных результатов.

Олег Носков

Нобелевская премия по химии 2015 года была присуждена за исследования в области изучения методов восстановления ДНК шведу Томасу Линдалю и американцам Полу Модричу и Азизу Санджару. Отдел науки «Газеты.Ru» при участии члена-корреспондента РАН Ольги Лаврик рассказывает о том, почему премию в этой области ждали уже давно.

Человеческий геном кодирует всю информацию о нашем теле. Во время каждого деления клетки создается копия более чем 3 млрд пар нуклеотидов, которая передается дочерней клетке, при этом неизбежно возникновение ошибок. Они копятся в ДНК человека на протяжении всей его жизни. Большая часть этих ошибок не представляет для организма никакой опасности, однако некоторые становятся причиной возникновения ряда серьезных заболеваний, например рака, нейродегенеративных болезней, а также ускоряют старение организма. Повреждения ДНК могут блокировать осуществление некоторых внутриклеточных процессов, таких как репликация и транскрипция ДНК. Впрочем,

ошибки копирования ДНК не только представляют собой угрозу для здоровья человека, но и являются одним из механизмов эволюции: без генетических изменений приспособление живого существа к новым условиям жизни было бы невозможным.

Швед Томас Линдаль (его нынешняя Нобелевская премия стала первой для Швеции начиная с 2000 года) задался вопросом о том, насколько стабильной является ДНК, еще в конце 1960-х годов. В то время научное сообщество полагало, что молекула ДНК — основа жизни на Земле — обладает способностью приспосабливаться к новым условиям жизни, однако число мутаций, которые происходят на протяжении жизни клетки, должно быть ограниченным. Считалось, что если бы мутации были многочисленными, то сложные многоклеточные организмы попросту не могли бы существовать.

В начале своей карьеры Томас Линдаль занимался исследованиями РНК — «собрата» ДНК, которая кодирует генетическую информацию и участвует в синтезе белков. Ученый заметил: во время экспериментов, связанных с изменениями температуры, РНК очень быстро деградировала. Именно поэтому Линдаль задался вопросом: насколько стабильной в таком случае является молекула ДНК? Через несколько лет Линдалю удалось выяснить, что

ежедневно человеческому геному наносятся тысячи потенциально опасных повреждений, а это — по представлениям того времени — было попросту несовместимо с существованием человека.

Исследователь пришел к выводу, что в таком случае организм должен обладать особыми системами, обеспечивающими постоянную «починку» генетического кода.

В 1974 году Томас Линдаль опубликовал первые результаты своих исследований: он сообщил об обнаружении бактериального фермента, который «убирал» из молекулы ДНК поврежденные остатки азотистого основания под названием цитозин. Именно цитозин является одним из легко повреждающихся частей ДНК — во время копирования он склонен к потере аминогруппы, в результате чего начинает соединяться не с гуанином, а с аденином. Линдаль продолжал исследовать механизм удаления поврежденных азотистых оснований, и в 1996 году ему удалось воспроизвести процесс «починки» молекулы в лабораторных условиях.

«Абсолютно заслуженно премию получил Томас Линдаль за открытие системы репарации оснований, — заявила «Газете.Ru» Ольга Лаврик, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. — Совсем недавно была конференция, посвященная его работе в этой области, она была в Осло в июне этого года, я была участником этой конференции.

Уже на этой конференции было такое ощущение, что, наверное, Томас получит Нобелевскую премию, потому что вся конференция была в продолжение его работ в этой области и все доклады были посвящены его работам в этой области.

Он был первооткрывателем нестабильности ДНК и способности ДНК терять основания до следующего механизма репарации этих повреждений ДНК. И что является отличительной чертой этого человека, он воспитал огромную школу ученых, которые работают в этой области, и все относятся к нему с огромным уважением. Это было заметно по всем конференциям с его участием, особенно по последней, которая стала эдакой преамбулой к его Нобелевской премии.

Для многих то, что он говорил на последней конференции, стало совершенно неожиданным. Например, он говорил, что мы должны обращать большее внимание на развитие оставшихся неизвестными фундаментальных знаний в этой области. Он — человек с большим чувством юмора. Например, на своем последнем слайде он показал, что исследования прикладных областей репарации ДНК выглядят как разорванный башмак. То есть нужна более единая концепция проведения этих исследований.

Фактически месседж состоял в том, то нужно вернуться к фундаменту, а не травить все больше и больше крыс в ходе создания нового лекарства.

Нужно хорошо подумать про магистральный путь. То есть он — человек, который мыслит вот такими категориями».

Интересно, что Томас Линдаль является членом Нобелевского комитета. В связи с этим комитет выпустил специальное сообщение, в котором аккуратно отмечается, что Линдаль не участвовал в присуждении ему Нобелевской премии.

Азиз Санджар также занимался вопросом о том, как именно восстанавливается поврежденная клетка, на протяжении многих лет — посвященная этой теме работа вышла в свет в 1983 году. Однако в отличие от Линдаля Санджар интересовался несколько иной стороной проблемы: он хотел выяснить, как ДНК «ремонтирует» себя после повреждений, нанесенных ультрафиолетовыми лучами. Ученому удалось обнаружить и выделить ферменты, кодируемые генами под названием uvrA, uvrB и uvrC. Санджар доказал, что их работа позволяет найти «ультрафиолетовое» повреждение, сделать в ДНК «разрез» и удалить поврежденный фрагмент молекулы, обычно состоящий из 12–13 нуклеотидов. За этими процессами Азизу Санджару также удалось понаблюдать в лабораторных условиях.

Ольга Лаврик отзывается об ученом следующим образом: «Азиз Санджар — просто фанатик от науки. Он родом из Турции, но проработал в США, в Университете Чапел-Хилл, я его тоже лично хорошо знаю. Он настолько предан науке, что мало ездил на конференции, чтобы не терять времени.

И когда конференции проходили в Чапел-Хилл, Санджар, делая доклад, выходил на трибуну в рабочем халате и быстро возвращался в лабораторию к своим исследованиям».

Американец Пол Модрич из Стэнфордского Университета известен тем, что ему удалось найти еще один механизм починки ДНК, который называется «репарация ошибочно спаренных нуклеотидов» (DNA mismatch repair). Эта система начинает работать в том случае, когда на дочерней нити ДНК образуются вставки, пропуски или ошибочные спаривания нуклеотидов. Процесс репарации заключается в распознавании дефекта, определении материнской и дочерней нитей ДНК и исправлении ошибки. Удаляется обычно не только «неправильный» нуклеотид, но и часть нити ДНК вокруг него. После этого дочерняя нить ДНК восстанавливается, но уже без ошибок. В 1989 году Пол Модрич опубликовал статью, в которой описывал все детали процесса репарации, — понаблюдать за ними ученому также удалось в ходе лабораторных экспериментов. Кроме того,

работа исследователя показала, что репарация ошибочно спаренных нуклеотидов сокращает количество ошибок при копировании ДНК примерно в тысячу раз.

Впрочем, даже после многолетней работы вопросы еще остались: так, науке до сих пор неизвестно, как именно организму удается отличать материнскую нить ДНК от дочерней. По словам самого Пола Модрича, «исследования, толчком к проведению которых стало любопытство, чрезвычайно важны. Никогда не знаешь, к чему они приведут… Немного удачи в работе тоже не помешает».

Исследования Модрича не ограничиваются только работой в области изучения репарации ошибочно спаренных нуклеотидов. Как рассказала Ольга Лаврик, «Пол Модрич — человек, который хорошо знает все области репарации, он украшал все конференции дискуссией и своими вопросами — в самую точку, независимо от того, что он работал в области mismatch-репарации. Конференции, которые проходят с его участием, всегда удачные».

На вопрос о том, не правильнее ли было бы присудить эту премию в области медицины, Ольга Лаврик ответила: «Нет. Тем людям, которым в среду дали премию, она и должна быть по химии. Потому что у них в работе исследования фундаментальных механизмов, которые, безусловно, включают в себя химические аспекты. Это фундаментальные исследования химического механизма сложных процессов репарации. Да, исследования на стыке, но я считаю, что это абсолютно заслуженная премия по химии. Ее давно ждали, потому что репарация ДНК — это центральный механизм, который обеспечивает защиту стабильности человеческого генома. Я абсолютно согласна, что давно уже нужно было, может, и не одну Нобелевскую премию дать за эту область науки.

Но я также знаю, что на премию за открытие системы репарации нуклеотидов номинировался другой кандидат — Фил Ханавальд, но получил Азиз Санджар. Скорее ожидалась Нобелевская премия за систему репарации нуклеотидов, сопряженной с транскрипцией. Но это мнение группы ученых, которые работают в этой области, и я придерживалась такого мнения. Хотя Азиз Санджар — тоже ведущий ученый, и, конечно, выбор был очень сложным, потому что за работы в этой области премию не давали давно, и многие сделали большое количество важных открытий. А все равно нужно было кого-то выбрать. Все нынешние лауреаты — замечательные ученые».

Достижения нобелевских лауреатов имеют и практическое применение, однако, по словам Ольги Лаврик, над этим

«нужно работать еще более интенсивно, потому что все-таки прикладные аспекты остаются недостаточными для победы над серьезными болезнями человека.

Основные мишени, против которых уже есть лекарства, — это ферменты репарации ДНК раковых клеток, которые являются мишенями для химиотерапии. Химиотерапевтические агенты разрушают систему ДНК, а система репарации бешено сопротивляется этим повреждениям, поэтому прежде всего нужно обязательно убивать эти системы в ходе лечения. Радиотерапии они тоже сопротивляются — интенсивно работают и восстанавливают все эти разрывы, которые делаются радиотерапией. Поэтому ферменты — это самые важные мишени при лечении рака».

Старые «хрущевки» - настоящая «головная боль» для местных руководителей.  Однако похоже на то, что сносить их отнюдь не собираются, поскольку расселение жильцов способно обострить проблему еще больше. Поэтому на местах тянут до последнего, делая ставку на капитальный ремонт и реконструкцию. Во всяком случае, Новосибирская область однозначно ориентирована именно на такой вариант, о чем было сообщено официально больше года назад. Старые пятиэтажки власть намерена реконструировать (очевидно, немного вложившись в это дело финансово).

Надо сразу сказать, что неправильно думать, будто  советские многоквартирные дома уже трещат по швам и угрожают безопасности жильцов. Несущие конструкции, как считают специалисты, находятся в приемлемом состоянии. Кроме того, не будем забывать, что в Новосибирске, например, достаточно много пятиэтажек строилось из кирпича. Здесь с конструктивом вообще все в порядке. Реконструкция, в основном, должна коснуться кровель и инженерных коммуникаций.

Кроме того, отметим, что в советский период (во всяком случае,  в соответствии с расчетами) дома (включая панельные «хрущевки») строили с запасом прочности. Собственно, фундамент и несущие стены позволяют надстроить еще пару этажей. Почему этого не делали раньше? Потому что забираться пешком до седьмого этажа – довольно трудно физически, особенно для пожилых людей. Пять этажей в данном случае – это максимум. Что касается лифта, то его установка здесь не предусматривалась специально. На то она, собственно, и «хрущевка», что предполагала всяческую экономию (не только на лифтах, но и на мусоропроводах).

С наступлением рыночной эпохи вот на этот прочностной ресурс старых пятиэтажек «положили глаз» некоторые строители, предложив разные варианты дополнительной надстройки на один-два этажа (в рыночные времена высота подъема на верхний этаж уже мало смущает как продавцов, так и собственников жилья). Варианты могут быть разные. Конечно, устроить продолжение стены и перекрытий в исходном материале – занятие несколько рискованное. Были случаи, когда так и делали, что только приводило к конфликту с жильцами.

Оптимальный вариант – устройство легких утепленных мансард. Как привило, при реконструкции старого дома осуществляется замена кровли. Если несущие конструкции позволяют, то почему бы новую крышу не превратить в дополнительное пространство для жилья? Напомним, что в настоящее время заканчивается срок эксплуатации кровель у огромного количества зданий массовой постройки советских времён, особенно пятиэтажных «хрущёвок». Ремонт крыши домов - после определённого периода их эксплуатации - неизбежная, дорогостоящая, трудоёмкая работа, связанная к тому же с массой жалоб и недовольством жильцов. Чисто технически проблем с возведением мансарды нет. Вопросы носят только сугубо юридический характер: как согласовать такую реконструкцию с собственниками жилья, кто будет владельцем новых площадей, каким будет порядок возведения новой конструкции? С точки зрения разработчиков, утепленную мансарду можно возводить, ничем не тревожа жильцов. Вопрос только -  в выборе самой конструкции.

Как правило, такие мансардные надстройки принято возводить на основе легкого каркаса с применением эффективного утеплителя. Например, использовать «канадскую технологию» - деревянный каркас и минераловатные плиты.  Можно также использовать легкие стальные тонкостенные конструкции и навешивать на них термопанели из гипсокартона и утеплителя.

Правда, для многих наших потребителей (и в первую очередь – сибиряков) такой вариант не считается чем-то серьезным. Подобная мансарда в глазах российского жильца на полноценное жилье никак не тянет. Наш потребитель требует капитальности.

Именно такой вариант предлагают новосибирские разработчики, занимающиеся исследованием легких ячеистых бетонов. В частности, инновационно-внедренческая фирма «Силикон-Сибирь» разработала для этих целей блоки из легированного ячеистого фибро-пенобетона, имеющего дополнительный слой эффективного утеплителя. Данный материал был опробован в условиях Якутии. По словам разработчиков, он обладает сверхвысокой теплоизоляцией, что позволяет с малыми затратами времени и средств строить экономичное энергоэффективное жилье, а также утеплять, ремонтировать и реконструировать существующие дома. 

Как раз одним из наиболее эффективных вариантов применения таких блоков является, по мнению разработчиков, надстройка мансардных этажей в 2-х и 5-ти - этажных домах, нуждающихся в ремонте кровли. В отличие от панельно-каркасного варианта, конструкция на основе такого материала будет отличаться монолитностью, ничуть не уступая в этом плане основному конструктиву всего дома. Важным моментом является то, что мансарда выкладывается в виде продольного полуцилиндрического свода высотой около шести метров. Это позволяет не только снизить затраты на отделку, но и создать внутри объема два уровня. Нижний уровень можно использовать под жилье, верхний – для отдыха и досуга (например, разместить там теннисный зал). При желании можно даже создать двухуровневые апартаменты.

Предварительный анализ показывает, что данный метод позволяет в стандартной (на 80 квартир) «хрущёвке» получить дополнительно 20% площади, или 1600 кв.м. Для строительства такой мансарды требуется 9000 блоков, общей стоимостью не более 3 млн. руб. Объем строительных работ (без учета демонтажа старой кровли) составит где-то 5 — 6 млн. руб., или 3-3,5 тыс. руб. на 1 кв.м.

Кроме минимальных затрат на строительство дополнительных площадей следует учесть следующие плюсы:

• Высокая скорость строительства (около месяца на мансарду одного дома).
• Все работы могут выполняться без отселения жильцов.
• Строительство может выполняться круглогодично.
• Вес конструкции очень мал — около 5% от веса дома, что позволяет, после проверочных работ и расчётов, обойтись без усиления конструкций.
• Помещения мансарды не имеют промежуточных опор, что позволяет осуществить свободную планировку внутреннего пространства.

И еще один немаловажный момент, на который особо указывают разработчики: при столь высокой теплоизоляции материала достаточно будет несложных работ по общему снижению теплопотерь здания, в результате чего не потребуется дополнительного расхода тепла на отопление созданных площадей.

Для окончательной отработки данного предложения осталось выполнить необходимые проектные работы, что обойдется, по предварительным подсчетам, в полтора миллиона рублей. Следующий важный шаг – опробовать строительство таких сводчатых мансард на двух «пилотных» 80-ти - квартирных домах. Общая сумма затрат, с учётом удорожания «пилотного» этапа строительства, составит порядка 30 млн. рублей. За эти деньги будут построены 3200 кв. м. дополнительного жилья, но самое главное - будут решены сразу два принципиально важных вопроса:

а) решение проблемы ремонта крыш старых домов;

б) организация строительства недорогого дополнительного жилья, которое ЖКХ может использовать для своих нужд или продажи.

Указанное предложение разработчики готовы представить мэрии Новосибирска. Если предложение будет одобрено, то было бы неплохо осуществить пилотный проект не где-то на задворках, а в достаточно известном месте города. Лучше всего для этих целей подходит, как мы понимаем, Академгородок, где достаточно жилья, нуждающегося в реконструкции. Такой пилотный проект был бы как никогда кстати. С одной стороны, это хороший повод для демонстрации инновационных подходов, с другой – таким путем можно решать жилищную проблему  для молодых сотрудников академических институтов. 

Олег Носков

Нобелевскую премию по физике 2015 года получат канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно поставило точку в этом вопросе.

Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80 лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра (его полного момента количества движения).

Вторая проблема — непрерывного спектра электронов в бета-распаде (этот распад изменяет заряд ядра на единицу и приводит к испусканию электрона или его античастицы — позитрона) — связана с тем, что в опытах по бета-распаду энергии образующихся электронов изменялись непрерывным образом в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).

Две проблемы не давали покоя физикам, поскольку приводили к нарушению законов сохранения — импульса, момента импульса и энергии. Некоторые ученые, в частности, датчанин Нильс Бор, даже предположили, что пришло время пересмотреть энергетические основы физики и отказаться от законов сохранения. К счастью, этого не пришлось делать.

Всех успокоил швейцарский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбинген. «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые обладают спином 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и "нейтрон" — таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной», — сообщал ученый.

«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.

Нейтрино (итальянское «маленький нейтрон») дал имя итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.

Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц — промежуточных векторных бозонов — и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.

Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил — скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый — имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.

Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.

Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них — протоны, электроны и нейтрино).

Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.

Под осцилляциями нейтрино подразумеваются взаимопревращения одного сорта этих частиц в другие. Всего существуют три типа нейтрино (и, возможно, три типа отвечающих им античастиц): электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном, мюоном и таоном они образуют шесть лептонов — класс бесструктурных элементарных частиц. Адроны тоже считаются элементарными частицами, однако состоят из кварков, которые вследствие явления асимптотической свободы (невылетания) не могут наблюдаться в свободном состоянии.

Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики — ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).

Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.

В классической версии Стандартной модели (СМ) — современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), — нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, — это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.

Теоретически нейтринные осцилляции включаются в СМ матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания (среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино так называемыми майорановскими частицами, но об этом — ниже). В этом смысле принятие ненулевой массы нейтрино никак не означает какого-то принципиально нового расширения СМ.

Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином — именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы — в частности, электроны и их античастицы — позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.

В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.

Искать майорановские нейтрино можно различными способами. Самый распространенный из них заключается в поиске безнейтринного двойного бета-распада, в результате которого электрический заряд атомного ядра увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Двойной бета-распад — разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу.

В Стандартной модели — современной теории физики элементарных частиц — безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).

До сих пор ученые не обнаружили майорановские нейтрино, и прогнозы тут пока неутешительные. Поиски майорановских нейтрино и попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются стремлением физиков выйти за пределы СМ: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда — электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, а их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения СМ (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).

Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи — таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.

Кроме легких нейтрино, ученые предполагают существование четвертого типа нейтрино — тяжелых (стерильных) нейтрино, с массами до десятков гигаэлектронвольт. Такие частицы, предположительно, не участвуют в слабом взаимодействии. Некоторые ученые выдвигают стерильные нейтрино в качестве кандидатов на роль частиц теплой темной материи, занимающей промежуточное положение между холодной и горячей материями.

Массивные нейтрино, как и их суперпартнеры — снейтрино, входят в состав многих расширений СМ, прежде всего суперсимметричных. В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице ставится в соответствие ее частица-парнер. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы — это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).

Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения углов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для суперсимметричных моделей были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако на ее основе все еще существуют возможность построения непротиворечивой модели физики частиц.

С нейтрино связано много тайн, скандалов и известных открытий, а говорить о ней можно очень долго. Так, итальянец Этторе Майорана бесследно исчез во время плавания из Неаполя в Палермо, а Исаак Померанчук — ученик советского физика Льва Ландау — считал создание в 1955 году теории двухкомпонентного нейтрино (над ней также работали Ли Цзундао, Янг Чжэньнин и Абдус Салам) вершиной научного творчества своего учителя.

В 2011 году коллаборация OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) объявила об обнаружении сверхсветовых нейтрино. Позднее ученые признали свое открытие ошибочным и отказались от него. Не обошли вниманием нейтрино и писатели. В романе Станислава Лема «Солярис» описывались «гости» — разумные существа из нейтрино.

Каждое открытие, связанное с нейтрино, отмечается вниманием Нобелевского комитета. И неслучайно: все развитие физики элементарных частиц в XX веке неразрывно связано с этой частицей, тем не менее о ней известно чрезвычайно мало — меньше нее изучен только бозон Хиггса. 85 лет истории исследований нейтрино так и не позволили определить ее массу, а непрозрачность ее свойств позволила физикам связать дальнейший прогресс в науке с прогнозированием потенциальных свойств этой частицы.