НАУКА / #4_2026
Век нейтрино: как поймать частицу-призрак?
Текст: Андрей КОЗЛОВ / Фото: Университет Токио, Wikipedia, US Department of Energy, JUNO Collaboration
Каждую секунду через человеческое тело пролетают миллиарды невидимых частиц, рождающихся в недрах Солнца и не оставляющих следов. История их открытия — настоящий детектив из мира физики, где каждый ответ рождает десятки новых вопросов. Предлагаем вам примерить на себя роль ученого, отправившегося на поиски частицы-невидимки.
Введение
Итак, вы — физик, начавший свою карьеру в первой половине XX века. Вы застали рождение квантовой механики и первые Нобелевские премии, посещали лекции Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и Вернера Гейзенберга, читали работы молодого Эйнштейна. Но в последнее время вам не дает покоя одна загадка: экспериментальные данные по бета-распаду не соответствуют теоретическим предсказаниям.
Вы намерены выяснить, что́ за этим скрывается, и обращаетесь за помощью к коллеге из будущего — младшему научному сотруднику ОФН ККФИ НИЦ «Курчатовский институт», ассистенту кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Даниэлю Попову. С его помощью вы разгадаете загадку нейтрино и впишете свое имя в историю физики.
Итак, вы — физик, начавший свою карьеру в первой половине XX века. Вы застали рождение квантовой механики и первые Нобелевские премии, посещали лекции Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и Вернера Гейзенберга, читали работы молодого Эйнштейна. Но в последнее время вам не дает покоя одна загадка: экспериментальные данные по бета-распаду не соответствуют теоретическим предсказаниям.
Вы намерены выяснить, что́ за этим скрывается, и обращаетесь за помощью к коллеге из будущего — младшему научному сотруднику ОФН ККФИ НИЦ «Курчатовский институт», ассистенту кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Даниэлю Попову. С его помощью вы разгадаете загадку нейтрино и впишете свое имя в историю физики.
Глава 1. Первое появление. Что же мы ищем?
«Нейтрино — фундаментальные частицы с очень маленькой, но ненулевой и неизвестной нам массой. У нейтрино нет электрического заряда, и они осуществляют с веществом слабые взаимодействия — один из четырех фундаментальных типов взаимодействий в природе. Нейтрино есть повсюду», — объясняет Д. Попов.
Не так давно Эрнест Резерфорд открыл три типа радиоактивного излучения: альфа- (ядра гелия), бета- (позитроны, электроны) и гамма-. Позже Джеймс Чедвик установил: электроны, испускаемые в ходе бета-распада, имеют непрерывный спектр энергии. Это поставило под угрозу понимание фундаментальных законов природы.
«Альфа- и гамма-частицы рождаются всегда с одной и той же, фиксированной энергией, зависящей от распадающейся частицы и ее квантово-ядерных характеристик. Но вот что казалось странным: когда аналогичным образом измеряли энергии бета-частиц, обнаружилось, что они могут принимать непрерывный набор значений — от нуля до ожидаемо фиксированного. Обнаружив бета-частицу с энергией, к примеру, вдвое меньше ожидаемой, исследователь задавался вопросом: куда делась остальная часть энергии?»
Этот вопрос и стал отправной точкой расследования. Похоже, существует некий механизм потери энергии. Или же наши представления о фундаментальных законах сохранения в корне ошибочны — тогда в науке грядет революция. Между тем научный мир еще не оправился после рождения квантовой физики.
Настало время для новых смелых гипотез. Ситуация накалялась: Нильс Бор, автор первой квантовой модели атома, был готов усомниться в законе сохранения энергии.
Как и все уважаемые ученые, вы регулярно посещаете конференции в Европе, участники одной из которых получают письмо от вашего старого знакомого — одного из отцов-основателей квантовой физики В. Паули.
«В неформальном письме участникам научной конференции, на которую сам Паули явиться не смог, он изложил гипотезу, согласно которой в результате бета-распада вместе с бета-частицей возникает еще одна, электрически нейтральная, очень легкая и ни с чем не взаимодействующая — она-то и уносит остаток энергии. Паули назвал эту частичку нейтроном (на тот момент настоящий нейтрон еще не был открыт). Позже Э. Ферми переименовал ее в нейтрино (буквально „нейтрончик“), чтобы не возникало путаницы. Он же разработал теорию бета-распада, которая в целом согласовывалась с экспериментальными данными. Конечно, это был сильный аргумент в пользу существования нейтрино, однако прямого подтверждения не было», — рассказывает Д. Попов.
С одной стороны, у вас есть логичное обоснование потери энергии в ходе бета-распада. Можно собирать установку, ловить новую частицу и в случае удачи попасть на первые полосы газет. С другой стороны, вам не дает покоя мысль: почему никто раньше не зарегистрировал это непонятное нейтрино? Что, если это лишь очередная красивая теория, не имеющая ничего общего с реальностью? За последние 30 лет вы повидали достаточно «революционных идей», завершивших свой путь в столах теоретиков.
«Нейтрино — фундаментальные частицы с очень маленькой, но ненулевой и неизвестной нам массой. У нейтрино нет электрического заряда, и они осуществляют с веществом слабые взаимодействия — один из четырех фундаментальных типов взаимодействий в природе. Нейтрино есть повсюду», — объясняет Д. Попов.
Не так давно Эрнест Резерфорд открыл три типа радиоактивного излучения: альфа- (ядра гелия), бета- (позитроны, электроны) и гамма-. Позже Джеймс Чедвик установил: электроны, испускаемые в ходе бета-распада, имеют непрерывный спектр энергии. Это поставило под угрозу понимание фундаментальных законов природы.
«Альфа- и гамма-частицы рождаются всегда с одной и той же, фиксированной энергией, зависящей от распадающейся частицы и ее квантово-ядерных характеристик. Но вот что казалось странным: когда аналогичным образом измеряли энергии бета-частиц, обнаружилось, что они могут принимать непрерывный набор значений — от нуля до ожидаемо фиксированного. Обнаружив бета-частицу с энергией, к примеру, вдвое меньше ожидаемой, исследователь задавался вопросом: куда делась остальная часть энергии?»
Этот вопрос и стал отправной точкой расследования. Похоже, существует некий механизм потери энергии. Или же наши представления о фундаментальных законах сохранения в корне ошибочны — тогда в науке грядет революция. Между тем научный мир еще не оправился после рождения квантовой физики.
Настало время для новых смелых гипотез. Ситуация накалялась: Нильс Бор, автор первой квантовой модели атома, был готов усомниться в законе сохранения энергии.
Как и все уважаемые ученые, вы регулярно посещаете конференции в Европе, участники одной из которых получают письмо от вашего старого знакомого — одного из отцов-основателей квантовой физики В. Паули.
«В неформальном письме участникам научной конференции, на которую сам Паули явиться не смог, он изложил гипотезу, согласно которой в результате бета-распада вместе с бета-частицей возникает еще одна, электрически нейтральная, очень легкая и ни с чем не взаимодействующая — она-то и уносит остаток энергии. Паули назвал эту частичку нейтроном (на тот момент настоящий нейтрон еще не был открыт). Позже Э. Ферми переименовал ее в нейтрино (буквально „нейтрончик“), чтобы не возникало путаницы. Он же разработал теорию бета-распада, которая в целом согласовывалась с экспериментальными данными. Конечно, это был сильный аргумент в пользу существования нейтрино, однако прямого подтверждения не было», — рассказывает Д. Попов.
С одной стороны, у вас есть логичное обоснование потери энергии в ходе бета-распада. Можно собирать установку, ловить новую частицу и в случае удачи попасть на первые полосы газет. С другой стороны, вам не дает покоя мысль: почему никто раньше не зарегистрировал это непонятное нейтрино? Что, если это лишь очередная красивая теория, не имеющая ничего общего с реальностью? За последние 30 лет вы повидали достаточно «революционных идей», завершивших свой путь в столах теоретиков.
Художественная реконструкция создания реактора «Чикагская поленница-1» (CP-1)
Глава 2. Поймай его, если сможешь
В 1933 году В. Паули наконец выступает с докладом о механизме бета-распада с участием новой частицы с полуцелым спином — слово «нейтрино» пока не используется даже в академической среде. Вы с интересом наблюдаете за развитием событий: похоже, скоро загадка будет разгадана.
Однако вскоре наступают непростые времена: ваши коллеги начинают спешно покидать родные лаборатории, перебираются в США и Великобританию. В 1939 году начинается Вторая мировая война, и мир надолго забывает о неопознанных частицах. Однако наука не стоит на месте.
Исследования атома активно ведутся в США и СССР. Э. Ферми, итальянский физик и отец термина «нейтрино», возглавляет создание первого в мире атомного реактора. В 1942 году «Чикагская поленница» становится символом атомного века.
В процессе многократного деления ядер топлива в реакторе происходят сотни бета-распадов в секунду — кажется, это шанс для поимки таинственных нейтрино!
«Нейтрино очень неохотно взаимодействуют с веществом. Каждую секунду через тело человека пролетает более 10¹⁰ солнечных нейтрино, но он этого не замечает. Другой пример: на Калининской АЭС стоит детектор реакторных антинейтрино. Из активной зоны реактора каждую секунду вылетает порядка 10²⁰ нейтрино в секунду, при этом нейтринный детектор фиксирует лишь 1500 событий в день», — говорит Д. Попов.
К сожалению, приоритеты правительства США расходятся с вашими: его ключевыми задачами становятся разработка атомной бомбы и работа над «Манхэттенским проектом». Реакторы в нем — средства наработки оружейного плутония и урана, а не источники загадочных частиц. Впрочем, и вы не одиноки: Фредерик Райнес и Клайд Коуэн активно занимаются теорией нейтринного взаимодействия и собираются поставить эксперимент по поимке нейтрино.
«В начале 1950-х годов дело сдвинулось с места. Для детектирования нейтрино нужны были огромные, колоссальные потоки этих частиц — глядишь, какая-нибудь из них оставит сигнал в детекторе. Где же взять сразу такое количество радиоактивного материала? Ф. Райнес и К. Коуэн нашли ответ. Сначала они собирались использовать взрыв ядерной бомбы, а потом нашли более мирный вариант — измерения на ядерном реакторе», — рассказывает Д. Попов.
В 1933 году В. Паули наконец выступает с докладом о механизме бета-распада с участием новой частицы с полуцелым спином — слово «нейтрино» пока не используется даже в академической среде. Вы с интересом наблюдаете за развитием событий: похоже, скоро загадка будет разгадана.
Однако вскоре наступают непростые времена: ваши коллеги начинают спешно покидать родные лаборатории, перебираются в США и Великобританию. В 1939 году начинается Вторая мировая война, и мир надолго забывает о неопознанных частицах. Однако наука не стоит на месте.
Исследования атома активно ведутся в США и СССР. Э. Ферми, итальянский физик и отец термина «нейтрино», возглавляет создание первого в мире атомного реактора. В 1942 году «Чикагская поленница» становится символом атомного века.
В процессе многократного деления ядер топлива в реакторе происходят сотни бета-распадов в секунду — кажется, это шанс для поимки таинственных нейтрино!
«Нейтрино очень неохотно взаимодействуют с веществом. Каждую секунду через тело человека пролетает более 10¹⁰ солнечных нейтрино, но он этого не замечает. Другой пример: на Калининской АЭС стоит детектор реакторных антинейтрино. Из активной зоны реактора каждую секунду вылетает порядка 10²⁰ нейтрино в секунду, при этом нейтринный детектор фиксирует лишь 1500 событий в день», — говорит Д. Попов.
К сожалению, приоритеты правительства США расходятся с вашими: его ключевыми задачами становятся разработка атомной бомбы и работа над «Манхэттенским проектом». Реакторы в нем — средства наработки оружейного плутония и урана, а не источники загадочных частиц. Впрочем, и вы не одиноки: Фредерик Райнес и Клайд Коуэн активно занимаются теорией нейтринного взаимодействия и собираются поставить эксперимент по поимке нейтрино.
«В начале 1950-х годов дело сдвинулось с места. Для детектирования нейтрино нужны были огромные, колоссальные потоки этих частиц — глядишь, какая-нибудь из них оставит сигнал в детекторе. Где же взять сразу такое количество радиоактивного материала? Ф. Райнес и К. Коуэн нашли ответ. Сначала они собирались использовать взрыв ядерной бомбы, а потом нашли более мирный вариант — измерения на ядерном реакторе», — рассказывает Д. Попов.
Ф. Райнес и К. Коуэн в центре управления Хэнфордским экспериментом, 1953 г.
Ф. Райнес и К. Коуэн погрузили два резервуара с водой емкостью 200 литров на 12 метров под землю — вынужденная мера защиты от космических лучей. Между резервуарами они установили три слоя сцинтилляционных детекторов, выдающих вспышку света при попадании в них каждого гамма-кванта или электрона. В воде размешали 40 кг хлорида кадмия (кадмий — поглотитель нейтронов, сегодня его используют на АЭС).
Суть эксперимента была проста: реактор, согласно расчетам, излучал гигантский поток антинейтрино — 10¹²-10¹³ антинейтрино/с·см². Эти антинейтрино летели в резервуар, где, взаимодействуя с протонами (ядрами водорода), рождали нейтрон и позитрон (античастицу электрона). Далее позитрон аннигилировал с электроном и превращался в два гамма-кванта одинаковой энергии, которые «ловили» сцинтилляционные детекторы. Нейтрон же поглощался кадмием, после чего испускался еще один, более энергичный гамма-квант, который также «ловили» детекторы. «Поймали» три гамма-кванта, один из которых оказался более «энергичным»? Отлично — значит, это и есть нейтрино!
Через месяц выяснилось: за час было зафиксировано всего три события; этого хватило для того, чтобы уверенно заявить о существовании новой частицы. Ф. Райнес и К. Коуэн дали В. Паули телеграмму, в которой делились результатами эксперимента и поздравляли адресата с великим предсказанием. Телеграмма настигла В. Паули на заседании в ЦЕРНе. В. Паули остановил его и зачитал текст послания всем присутствующим. А спустя много лет, в 1986 году, Ф. Райнес получил копию письма уже покойного В. Паули, написанного в ночь вручения телеграммы, но не отправленного: «Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули».
В 1995 году Ф. Райнес был удостоен Нобелевской премии. Казалось бы, дело закрыто: частица зарегистрирована, данные достоверны. Но одна мысль все же продолжает беспокоить вас: являются ли нейтрино и антинейтрино, обнаруженные в ходе эксперименте Ф. Райнеса, одной и той же частицей?..
Суть эксперимента была проста: реактор, согласно расчетам, излучал гигантский поток антинейтрино — 10¹²-10¹³ антинейтрино/с·см². Эти антинейтрино летели в резервуар, где, взаимодействуя с протонами (ядрами водорода), рождали нейтрон и позитрон (античастицу электрона). Далее позитрон аннигилировал с электроном и превращался в два гамма-кванта одинаковой энергии, которые «ловили» сцинтилляционные детекторы. Нейтрон же поглощался кадмием, после чего испускался еще один, более энергичный гамма-квант, который также «ловили» детекторы. «Поймали» три гамма-кванта, один из которых оказался более «энергичным»? Отлично — значит, это и есть нейтрино!
Через месяц выяснилось: за час было зафиксировано всего три события; этого хватило для того, чтобы уверенно заявить о существовании новой частицы. Ф. Райнес и К. Коуэн дали В. Паули телеграмму, в которой делились результатами эксперимента и поздравляли адресата с великим предсказанием. Телеграмма настигла В. Паули на заседании в ЦЕРНе. В. Паули остановил его и зачитал текст послания всем присутствующим. А спустя много лет, в 1986 году, Ф. Райнес получил копию письма уже покойного В. Паули, написанного в ночь вручения телеграммы, но не отправленного: «Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули».
В 1995 году Ф. Райнес был удостоен Нобелевской премии. Казалось бы, дело закрыто: частица зарегистрирована, данные достоверны. Но одна мысль все же продолжает беспокоить вас: являются ли нейтрино и антинейтрино, обнаруженные в ходе эксперименте Ф. Райнеса, одной и той же частицей?..
Глава 3. Античастицы частицам рознь?
Вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино для вас неоднозначен. С одной стороны, вам известно знаменитое уравнение П. Дирака — еще одного основателя квантовой физики. Оно прекрасно описывает частицы с полуцелым спином, к которым относится и нейтрино. В рамках этого уравнения нейтрино и антинейтрино — разные частицы.
Но есть и другой взгляд. Молодой итальянский физик Этторе Майорана разработал собственную теорию, в рамках которой существуют истинно нейтральные частицы — для него понятия «частица» и «античастица» означают одно и то же. Э. Майорана опубликовал свою работу в 1937 году. Всего через год после этого Этторе, чей гений Э. Ферми сравнивал с гением Исаака Ньютона, купит билет на паром до Палермо и навсегда бесследно исчезнет из мира физики.
Обе теории открывают для вас заманчивые перспективы: если прав П. Дирак, вы сможете приблизиться к разгадке тайны нейтрино и антинейтрино, а если Э. Майорана — вам откроется особый процесс, невозможный для дираковских нейтрино: двойной безнейтринный бета-распад. Похоже, пора поставить новый эксперимент.
В 1946 году Бруно Понтекорво — итальянский физик, который в 1950-х переедет работать в Дубну, — предложил вариант такого эксперимента. Ученые знали, что при взаимодействии нейтрино и нейтрона могут родиться протон и электрон; теперь необходимо было узнать, могут ли антинейтрино и нейтрон дать тот же результат.
Идея Б. Понтекорво была такой: облучить реакторными антинейтрино ³⁷Cl, который в процессе бета-распада превратится в радиоактивный ³⁷Ar. Радиоактивный изотоп аргона извлечь и помеcтить в специальные емкости, где спустя примерно 35 суток будет фиксироваться его полураспад.
Вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино для вас неоднозначен. С одной стороны, вам известно знаменитое уравнение П. Дирака — еще одного основателя квантовой физики. Оно прекрасно описывает частицы с полуцелым спином, к которым относится и нейтрино. В рамках этого уравнения нейтрино и антинейтрино — разные частицы.
Но есть и другой взгляд. Молодой итальянский физик Этторе Майорана разработал собственную теорию, в рамках которой существуют истинно нейтральные частицы — для него понятия «частица» и «античастица» означают одно и то же. Э. Майорана опубликовал свою работу в 1937 году. Всего через год после этого Этторе, чей гений Э. Ферми сравнивал с гением Исаака Ньютона, купит билет на паром до Палермо и навсегда бесследно исчезнет из мира физики.
Обе теории открывают для вас заманчивые перспективы: если прав П. Дирак, вы сможете приблизиться к разгадке тайны нейтрино и антинейтрино, а если Э. Майорана — вам откроется особый процесс, невозможный для дираковских нейтрино: двойной безнейтринный бета-распад. Похоже, пора поставить новый эксперимент.
В 1946 году Бруно Понтекорво — итальянский физик, который в 1950-х переедет работать в Дубну, — предложил вариант такого эксперимента. Ученые знали, что при взаимодействии нейтрино и нейтрона могут родиться протон и электрон; теперь необходимо было узнать, могут ли антинейтрино и нейтрон дать тот же результат.
Идея Б. Понтекорво была такой: облучить реакторными антинейтрино ³⁷Cl, который в процессе бета-распада превратится в радиоактивный ³⁷Ar. Радиоактивный изотоп аргона извлечь и помеcтить в специальные емкости, где спустя примерно 35 суток будет фиксироваться его полураспад.
В качестве мишени для антинейтрино использовали 4 тыс. литров четыреххлористого углерода; процесс облучения длился два месяца. Эксперимент дал интересные результаты: за все время наблюдения не было зафиксировано ни одного достоверного события распада аргона! Выходит, нейтрино и антинейтрино — разные частицы. П. Дирак был прав.
Кажется, пора закрывать дело: реакторные нейтрино и антинейтрино оказались разными частицами, что привело к открытию закона сохранения лептонного числа. Но как насчет других источников нейтрино, помимо реактора? Тут нас и поджидала одна из главных тайн XX века.
Кажется, пора закрывать дело: реакторные нейтрино и антинейтрино оказались разными частицами, что привело к открытию закона сохранения лептонного числа. Но как насчет других источников нейтрино, помимо реактора? Тут нас и поджидала одна из главных тайн XX века.
Бруно Понтекорво
Глава 4. С Солнцем что-то не так
На дворе 1960-е годы. Вы решаете исследовать еще один, крупнейший для землян источник нейтрино — Солнце. Согласно теоретическим моделям ваших коллег, в ходе термоядерного синтеза в его недрах миллиарды нейтрино каждую секунду устремляются в сторону Земли. Было бы хорошо их подсчитать: опыты Ф. Райнеса уже подтвердили верность теоретических расчетов модели взаимодействия нейтрино с веществом.
Вместе с вами этим занимается Раймонд Дэвис: под его руководством в 1967 году в шахте Homestake собирают огромную установку для детектирования солнечных нейтрино. Ее помещают на глубину почти 1,5 км.
Основной механизм детектирования — всё та же реакция нейтрино с ³⁷Cl, предложенная Б. Понтекорво. Для нее собирают бак объемом 380 тыс. литров и наполняют его 610 тоннами перхлорэтилена. Для извлечения ³⁷Ar бак продувается гелием через систему фильтрации, откуда в атомарных количествах извлекается аргон и помещается в небольшие контейнеры с дозиметрами. Согласно теоретическим предсказаниям, такая установка должна была давать от 4 до 11 нейтринных событий в сутки. Ученые буквально искали иголку в стоге сена.
И вот на ваш стол ложится отчет о проведенном эксперименте. Вы уверены: ничего нового Р. Дэвису открыть не суждено. Однако удивиться вам все же приходится: две трети солнечных нейтрино куда-то исчезли.
Так возникла «Проблема солнечных нейтрино» — невозможность объяснить нехватку частиц, испускаемых Солнцем в ходе термоядерного синтеза. В ближайшие три десятилетия вы бросите на поиск пропавших частиц все силы.
На дворе 1960-е годы. Вы решаете исследовать еще один, крупнейший для землян источник нейтрино — Солнце. Согласно теоретическим моделям ваших коллег, в ходе термоядерного синтеза в его недрах миллиарды нейтрино каждую секунду устремляются в сторону Земли. Было бы хорошо их подсчитать: опыты Ф. Райнеса уже подтвердили верность теоретических расчетов модели взаимодействия нейтрино с веществом.
Вместе с вами этим занимается Раймонд Дэвис: под его руководством в 1967 году в шахте Homestake собирают огромную установку для детектирования солнечных нейтрино. Ее помещают на глубину почти 1,5 км.
Основной механизм детектирования — всё та же реакция нейтрино с ³⁷Cl, предложенная Б. Понтекорво. Для нее собирают бак объемом 380 тыс. литров и наполняют его 610 тоннами перхлорэтилена. Для извлечения ³⁷Ar бак продувается гелием через систему фильтрации, откуда в атомарных количествах извлекается аргон и помещается в небольшие контейнеры с дозиметрами. Согласно теоретическим предсказаниям, такая установка должна была давать от 4 до 11 нейтринных событий в сутки. Ученые буквально искали иголку в стоге сена.
И вот на ваш стол ложится отчет о проведенном эксперименте. Вы уверены: ничего нового Р. Дэвису открыть не суждено. Однако удивиться вам все же приходится: две трети солнечных нейтрино куда-то исчезли.
Так возникла «Проблема солнечных нейтрино» — невозможность объяснить нехватку частиц, испускаемых Солнцем в ходе термоядерного синтеза. В ближайшие три десятилетия вы бросите на поиск пропавших частиц все силы.
Хоумстейкский эксперимент, 1960-е гг.
Глава 5. Загадочные превращения
Каковы же возможные объяснения дефицита солнечных нейтрино? Спустя десятилетие остается несколько вариантов.
Первый: ошиблись гелиофизики, их модель Солнца неверна. Но тогда температура его поверхности и недр была бы в десятки раз меньше.
Второй: ошибочный расчет количества нейтринных взаимодействий в детекторе и потеря полезных событий в объеме огромного бака. Этот вариант были отсечен в ходе дополнительных проверок и расчетов.
Тем временем, пока вы были погружены в расследование дела о нейтрино, в физике произошел прорыв — был открыт целый «зоопарк» новых частиц и исследованы их взаимодействия, что привело к попытке их упорядочивания и построению Стандартной модели.
В ее рамках частицы делились на крупные классы. Адроны состоят из кварков. В свою очередь, кварки и лептоны (электрон, мезон и тау-лептон) делятся на три поколения. Стандартная модель постепенно дополнялась и претендовала на объяснение всех физических процессов, происходящих во Вселенной. Почему бы не попробовать вписать в нее нейтрино? Предположили, что и нейтрино бывают трех типов: электронные, мюонные и тау-лептонные.
Актуализируется выдвинутая Б. Понтекорво еще в 1957 году гипотеза о нейтринных осцилляциях: что, если нейтрино по каким-либо причинам могут менять свой тип?
Д. Попов проводит аналогию с принципом неопределенности В. Гейзенберга: «У квантовой частицы нельзя одновременно измерить координату и импульс — либо одно, либо другое. С осцилляциями очень похожая история. У каждого нейтрино есть определенный тип — оно либо электронное, либо мюонное, либо тау-лептонное. Но у него есть и масса. Изюминка в том, что мы не можем одновременно измерить массу нейтрино и определить его тип. Взаимодействует с веществом нейтрино всегда определенного типа, а распространяется в пространстве и времени — с определенной массой».
Давайте попробуем это понять на конкретном примере.
Допустим, в результате распада нестабильной частицы образовалось электронное нейтрино — мы в этом уверены, потому что, к примеру, задетектировали электрон (а не мюон и не тау-лептон).
«„Электронное состояние“ нейтрино — это сумма трех „массовых состояний“: нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Нейтрино-1,-2 и -3 при этом обладают определенными массами. Поскольку их массы различны, нейтрино-1,-2 и -3, упрощенно говоря, разлетаются с различными скоростями (так как энергия и импульс сохраняются), следовательно, „более легкие“ нейтрино опережают „более тяжелые“ — раньше долетают до детектора. Соответственно, в „легком“ нейтрино есть немного электронного, немного мюонного и немного тау-лептонного. При детектировании мы с разными вероятностями увидим одну из этих реализаций. То есть вначале у нас было электронное нейтрино, а при детектировании обнаружилось любое из трех. Этот эффект и называют осцилляциями», — объясняет Д. Попов.
То есть, говоря о недостатке солнечных нейтрино, мы можем предполагать, что наблюдаем недостаток электронных нейтрино, часть из которых осциллировала по дороге на Землю. Такой же «недостаток» наблюдался на японском детекторе Kamiokande (позже — Super-Kamiokande) при изучении атмосферных нейтрино, рожденных под действием космических лучей. (За это открытие в 2015 году Такааки Кадзита получил Нобелевскую премию.)
Что ж, предположим, вы разрешили важную проблему нейтринной природы: недостаток нейтрино объясняется их осцилляциями. Но тут же возникла проблема масштаба всей современной физики: в Стандартную модель не вписывается наличие у нейтрино массы, а без массы нейтрино не может осциллировать. Получается, мы вышли на границу современной физики и вот-вот ее перейдем?..
Каковы же возможные объяснения дефицита солнечных нейтрино? Спустя десятилетие остается несколько вариантов.
Первый: ошиблись гелиофизики, их модель Солнца неверна. Но тогда температура его поверхности и недр была бы в десятки раз меньше.
Второй: ошибочный расчет количества нейтринных взаимодействий в детекторе и потеря полезных событий в объеме огромного бака. Этот вариант были отсечен в ходе дополнительных проверок и расчетов.
Тем временем, пока вы были погружены в расследование дела о нейтрино, в физике произошел прорыв — был открыт целый «зоопарк» новых частиц и исследованы их взаимодействия, что привело к попытке их упорядочивания и построению Стандартной модели.
В ее рамках частицы делились на крупные классы. Адроны состоят из кварков. В свою очередь, кварки и лептоны (электрон, мезон и тау-лептон) делятся на три поколения. Стандартная модель постепенно дополнялась и претендовала на объяснение всех физических процессов, происходящих во Вселенной. Почему бы не попробовать вписать в нее нейтрино? Предположили, что и нейтрино бывают трех типов: электронные, мюонные и тау-лептонные.
Актуализируется выдвинутая Б. Понтекорво еще в 1957 году гипотеза о нейтринных осцилляциях: что, если нейтрино по каким-либо причинам могут менять свой тип?
Д. Попов проводит аналогию с принципом неопределенности В. Гейзенберга: «У квантовой частицы нельзя одновременно измерить координату и импульс — либо одно, либо другое. С осцилляциями очень похожая история. У каждого нейтрино есть определенный тип — оно либо электронное, либо мюонное, либо тау-лептонное. Но у него есть и масса. Изюминка в том, что мы не можем одновременно измерить массу нейтрино и определить его тип. Взаимодействует с веществом нейтрино всегда определенного типа, а распространяется в пространстве и времени — с определенной массой».
Давайте попробуем это понять на конкретном примере.
Допустим, в результате распада нестабильной частицы образовалось электронное нейтрино — мы в этом уверены, потому что, к примеру, задетектировали электрон (а не мюон и не тау-лептон).
«„Электронное состояние“ нейтрино — это сумма трех „массовых состояний“: нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Нейтрино-1,-2 и -3 при этом обладают определенными массами. Поскольку их массы различны, нейтрино-1,-2 и -3, упрощенно говоря, разлетаются с различными скоростями (так как энергия и импульс сохраняются), следовательно, „более легкие“ нейтрино опережают „более тяжелые“ — раньше долетают до детектора. Соответственно, в „легком“ нейтрино есть немного электронного, немного мюонного и немного тау-лептонного. При детектировании мы с разными вероятностями увидим одну из этих реализаций. То есть вначале у нас было электронное нейтрино, а при детектировании обнаружилось любое из трех. Этот эффект и называют осцилляциями», — объясняет Д. Попов.
То есть, говоря о недостатке солнечных нейтрино, мы можем предполагать, что наблюдаем недостаток электронных нейтрино, часть из которых осциллировала по дороге на Землю. Такой же «недостаток» наблюдался на японском детекторе Kamiokande (позже — Super-Kamiokande) при изучении атмосферных нейтрино, рожденных под действием космических лучей. (За это открытие в 2015 году Такааки Кадзита получил Нобелевскую премию.)
Что ж, предположим, вы разрешили важную проблему нейтринной природы: недостаток нейтрино объясняется их осцилляциями. Но тут же возникла проблема масштаба всей современной физики: в Стандартную модель не вписывается наличие у нейтрино массы, а без массы нейтрино не может осциллировать. Получается, мы вышли на границу современной физики и вот-вот ее перейдем?..
Глава 6. Новые горизонты
Наступает XXI век, и оказывается: каждый раз, когда ученые думали, что разгадали тайны нейтрино, у них рождались новые вопросы. Какие же тайны хранит нейтрино сегодня, спустя почти 100 лет?
Например, открытым остается вопрос о нейтрино четвертого сорта — стерильных.
«Стерильные нейтрино — пока что гипотеза, достоверных доказательств их существования нет. Если они все же существуют, то, судя по всему, еще хуже взаимодействуют с веществом, чем обычные нейтрино. Принято считать, что вообще никак не взаимодействуют. Как же их тогда искать?» — задается вопросом Д. Попов.
Идея поиска стерильных нейтрино основана на механизме осцилляций, продолжает эксперт. Представьте, что ваш детектор не зафиксировал никакого взаимодействия — ни электронного, ни мюонного, ни тау-лептонного. Хотя, по всем вашим расчетам, какой-то сигнал вы должны были увидеть. Куда же делось это нейтрино? Проосциллировало в стерильное и пролетело детектор насквозь? По дороге провалилось в компактифицированное дополнительное измерение вне нашего трехмерного пространства и застряло там? А может быть, вы просто ошиблись в расчетах или измерениях? «Нужны надежные, прозрачные и значимые экспериментальные данные с возможностью независимой проверки, а также очень веские основания для того, чтобы сделать вывод о существовании стерильных состояний нейтрино», — резюмирует Д. Попов.
Наступает XXI век, и оказывается: каждый раз, когда ученые думали, что разгадали тайны нейтрино, у них рождались новые вопросы. Какие же тайны хранит нейтрино сегодня, спустя почти 100 лет?
Например, открытым остается вопрос о нейтрино четвертого сорта — стерильных.
«Стерильные нейтрино — пока что гипотеза, достоверных доказательств их существования нет. Если они все же существуют, то, судя по всему, еще хуже взаимодействуют с веществом, чем обычные нейтрино. Принято считать, что вообще никак не взаимодействуют. Как же их тогда искать?» — задается вопросом Д. Попов.
Идея поиска стерильных нейтрино основана на механизме осцилляций, продолжает эксперт. Представьте, что ваш детектор не зафиксировал никакого взаимодействия — ни электронного, ни мюонного, ни тау-лептонного. Хотя, по всем вашим расчетам, какой-то сигнал вы должны были увидеть. Куда же делось это нейтрино? Проосциллировало в стерильное и пролетело детектор насквозь? По дороге провалилось в компактифицированное дополнительное измерение вне нашего трехмерного пространства и застряло там? А может быть, вы просто ошиблись в расчетах или измерениях? «Нужны надежные, прозрачные и значимые экспериментальные данные с возможностью независимой проверки, а также очень веские основания для того, чтобы сделать вывод о существовании стерильных состояний нейтрино», — резюмирует Д. Попов.
Схема главного детектора Цзянмэньской подземной нейтринной обсерватории, Китай
Не менее важной загадкой остается вопрос о массе нейтрино, которая необъяснима в рамках Стандартной модели.
Во-первых, из всех известных фундаментальных частиц сегодня неизвестно численное значение массы лишь одной — нейтрино. Во-вторых, никто не понимает, за счет какого фундаментального механизма эта масса у нейтрино возникает. В-третьих, неизвестно, является ли нейтрино истинно нейтральной частицей, то есть античастицей самой себе.
«Нейтринная физика сегодня — одно из самых бурно развивающихся направлений науки. Проектов в России и по всему миру очень много. Недавно в Китае заработал реакторный нейтринный эксперимент JUNO, самый масштабный из известных. На него возлагают большие надежды: его результаты должны помочь ответить на ряд вопросов, касающихся фундаментальной физики нейтрино. Россия тоже участвует в JUNO — ОИЯИ, НИИЯФ МГУ и ИЯИ РАН внесли очень большой вклад в развитие эксперимента», — констатирует Д. Попов.
Нейтринные исследования приобретают и более прикладной характер — разработки в области нейтринных детекторов для АЭС могут стать важным инструментом контроля безопасности и состояния реактора.
«Мы с коллегами в НИЯУ МИФИ разрабатываем новый детектор антинейтрино для решения прикладных задач. Возрастает интерес к новым средствам независимого контроля ядерных объектов для повышения их безопасности. Одно из таких средств — нейтринный метод, предложенный сотрудником Курчатовского института Львом Микаэляном еще 40 лет назад. Идея в том, что нейтрино, покидая активную зону ядерного объекта, несет довольно много информации: о тепловой мощности, об изотопном составе, о геометрии активной зоны. Детектирование таких нейтрино позволяет эту информацию получить. Причем детектор можно расположить как на малом, так и на большом расстоянии от реактора — с нейтрино по дороге ничего хуже осцилляций не произойдет, информация об объекте не потеряется. В России эта идея уже реализуется: детектор iDREAM на Калининской АЭС ежедневно мониторит мощность ядерного реактора», — делится Д. Попов.
Во-первых, из всех известных фундаментальных частиц сегодня неизвестно численное значение массы лишь одной — нейтрино. Во-вторых, никто не понимает, за счет какого фундаментального механизма эта масса у нейтрино возникает. В-третьих, неизвестно, является ли нейтрино истинно нейтральной частицей, то есть античастицей самой себе.
«Нейтринная физика сегодня — одно из самых бурно развивающихся направлений науки. Проектов в России и по всему миру очень много. Недавно в Китае заработал реакторный нейтринный эксперимент JUNO, самый масштабный из известных. На него возлагают большие надежды: его результаты должны помочь ответить на ряд вопросов, касающихся фундаментальной физики нейтрино. Россия тоже участвует в JUNO — ОИЯИ, НИИЯФ МГУ и ИЯИ РАН внесли очень большой вклад в развитие эксперимента», — констатирует Д. Попов.
Нейтринные исследования приобретают и более прикладной характер — разработки в области нейтринных детекторов для АЭС могут стать важным инструментом контроля безопасности и состояния реактора.
«Мы с коллегами в НИЯУ МИФИ разрабатываем новый детектор антинейтрино для решения прикладных задач. Возрастает интерес к новым средствам независимого контроля ядерных объектов для повышения их безопасности. Одно из таких средств — нейтринный метод, предложенный сотрудником Курчатовского института Львом Микаэляном еще 40 лет назад. Идея в том, что нейтрино, покидая активную зону ядерного объекта, несет довольно много информации: о тепловой мощности, об изотопном составе, о геометрии активной зоны. Детектирование таких нейтрино позволяет эту информацию получить. Причем детектор можно расположить как на малом, так и на большом расстоянии от реактора — с нейтрино по дороге ничего хуже осцилляций не произойдет, информация об объекте не потеряется. В России эта идея уже реализуется: детектор iDREAM на Калининской АЭС ежедневно мониторит мощность ядерного реактора», — делится Д. Попов.
Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория, Китай
Похоже, дело о нейтрино закрывать преждевременно. Вопросов и открытий хватит еще как минимум на 100 лет. А ведь в конце XIX века молодого Макса Планка, создателя квантовой физики, уверяли: физика изжила себя.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ