Кажется удивительным, но нейтрино было практически всегда и присутствует везде. В каждом кубическом сантиметре пространства содержится примерно 300 нейтрино, дошедших до нас от Большого взрыва. То есть, в теле каждого человека, в каждом из нас, присутствует примерно 30 миллионов таких нейтрино.

Пока вы читали короткий заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пролетело 10¹⁴ нейтрино.

Если научные статьи наводят на Вас скуку, прочитайте  Пролог и Эпилог!

 

Пролог

Нейтрино – это элементарная частица, одна из многих десятков известных в настоящее время элементарных частиц.

Нейтрино занимает особое место среди других частиц. Если взглянуть в прошлое и на настоящее Вселенной, то мы убеждаемся, что даже в сумме количество обычных частиц, из которых состоит обычное вещество – электронов, протонов и нейтронов – значительно меньше, чем количество нейтрино!

Нейтрино – поистине уникальная частица. Несмотря на колоссальные усилия, предпринимаемые физиками, как экспериментаторами, так и теоретиками, на протяжении более чем 80 лет, до сих пор многие вопросы о свойствах нейтрино остаются открытым. Например, мы не знаем, какова величина массы нейтрино, а это – главная характеристика любой элементарной частицы!

Нейтрино играет важнейшую роль во многих явлениях, происходящих в окружающем нас мире. Без нейтрино невозможно объяснить:

процессы на ранней стадии эволюции Вселенной;
остывание звезд;
возникновение и разнообразие химических элементов, из которых состоит все вещество;
как работает Солнце, дающее нам энергию и делающее возможным само наше существование на Земле.
При всем при том, как это ни кажется парадоксальным, нейтрино крайне слабо и редко взаимодействует с другими частицами. Поэтому нейтрино могут 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!

Кажется удивительным, но нейтрино было практически всегда и присутствует везде. В каждом кубическом сантиметре пространства содержится примерно 300 нейтрино, дошедших до нас от Большого взрыва. То есть, в теле каждого человека, в каждом из нас, присутствует примерно 30 миллионов таких нейтрино.

Другим важным источником нейтрино является Солнце. Порядка 60 000 000 000 (шестьдесят миллиардов!) нейтрино от Солнца проходят в каждую секунду через один квадратный сантиметр на поверхности Земли, или 100 000 000 000 000 (сто триллионов!) солнечных нейтрино в секунду проходят через каждого из нас.

Будучи частицами, слабо взаимодействующими с веществом и обладающими колоссальной проникающей способностью, нейтрино практически свободно проносятся повсюду, принося с собой информацию как из недр звезд, так и из ранее недоступных и загадочных уголков нашей Вселенной.

Однако это самое замечательное свойство нейтрино – всюду проникать – затрудняет их детектирование и изучение их свойств в экспериментах. Поэтому, как правило, детекторы нейтрино (то есть экспериментальные установки, которые используют физики для изучения этих частиц) должны иметь циклопические размеры, чтобы их чувствительность позволяла с уверенностью регистрировать эти неуловимые частицы. Например, для регистрации нейтрино очень высоких энергий, которые, как ожидается, могут попадать на Землю от дальних космических объектов, используются громадные установки, такие как размещенные в водах озера Байкал (Байкальский нейтринный телескоп) и Средиземного моря или во льдах Антарктиды. Размеры таких установок приближаются к кубическому километру!

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-лучи1, то есть электроны, открытые еще в 1897 году Дж.Дж. Томсоном.

К большому удивлению и недоумению ученых при многократных наблюдениях за распадом одного и того же ядра рождающиеся электроны имели не строго определенное значение энергии, равное разности энергий распадающегося и дочернего ядер, а с определенной ненулевой вероятностью могли иметь различные энергии из достаточно протяженного диапазона значений. Этот экспериментальный факт (если еще принять, как считалось в то время, что в результате ядерного бета-распада образуется только электрон) противоречит закону сохранения энергии, что с легкостью покажет даже школьник.

Указанная проблема повергла в смятение лучшие умы, так что даже один из основоположников квантовой теории и уже ставший к тому времени лауреатом Нобелевской премии Нильс 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 Вольфганг Паули, который позже тоже станет нобелевским лауреатом за фундаментальный вклад в развитие квантовой физики.

Решение проблемы бета-распада В. Паули изложил в своем 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»2 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 ее «нейтроном»… Эта частица рождается при бета-распаде вместе с электроном таким образом, что сумма их энергий остается постоянной. Допускаю, что мое 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 Энрико Ферми (тоже нобелевский лауреат) 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 физику Вальтеру Бааде: «Сегодня я совершил то, что физик не должен делать никогда. Я предсказал нечто, что никогда не будет наблюдаться экспериментально».

 

 

Такого же мнения о возможности обнаружения нейтрино в экспериментах придерживалось абсолютное большинство физиков того времени. Так, нобелевский лауреат Ханс Бете и его соавтор Рудольф Пайерлс в большой обзорной статье, озаглавленной просто «Нейтрино» и опубликованной в самом авторитетном научном журнале Nature в 1934 году, утверждали, что «не существует никакой возможности обнаружить нейтрино».

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. Используя эту идею, Фредерик Райнес и Клайд Коуэн в экспериментах на потоках частиц от реактора в 1956 году доказали существование нейтрино. За это открытие Ф. Райнесу в 1995 году была присуждена Нобелевская премия3.

В соответствии с современной терминологией эксперименты Ф. Райнеса и К. Коуэна подтверждают существование электронного нейтрино. Сейчас известно, что есть еще два других сорта нейтрино – это мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Мюонное нейтрино было впервые обнаружено в 1962 году в экспериментах, выполненных Леоном Ледерманом, Мелвином Шварцем и Джеком 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 трех 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 этого закона.

Проблема солнечных и атмосферных нейтрино

Нейтринное излучение, пронизывающие все пространство вокруг нас на Земле, состоит из четырех компонентов. Это, прежде всего, потоки нейтрино рукотворного происхождения: 1) нейтрино от реакторов (реакторные нейтрино) и 2) нейтрино ускорительные (возникающие при взаимодействии элементарных частиц на ускорителях). А также потоки нейтрино природного происхождения: 3) солнечные нейтрино, то есть генерируемые в ядерных реакциях в недрах Солнца и приходящие на Землю, и 4) нейтрино атмосферные, которые возникают при взаимодействии космических лучей с верхними слоями атмосферы.

Кроме того, предсказывается существование потоков геонейтрино (нейтрино, испускаемые ядром Земли), нейтрино от Большого взрыва (реликтовые нейтрино), а также нейтрино галактического и внегалактического происхождения. Из них пока были надежно экспериментально зарегистрированы в 1987 году только несколько нейтрино от взрыва сверхновой SN1987 в соседней галактике – Большом Магеллановом Облаке. За это открытие Нобелевская премия в 2002 году была присуждена Масатоши Кошибе.

Среди четырех основных потоков нейтрино особое место занимают солнечные и атмосферные. Дело в том, что при их изучении физики обнаружили удивительные аномалии – потоки солнечных и атмосферных нейтрино, регистрируемые в земных экспериментальных установках, оказываются значительно ниже, чем должно быть по расчетам теоретиков. Так что, ученые столкнулись, как принято говорить, с «проблемой солнечных нейтрино» и «проблемой атмосферных 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 Рэй 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 (так называемая «стандартная солнечная модель»), сделанные Джоном Бакалом.

Позже существование проблемы солнечных нейтрино (то есть, существенно меньший поток нейтрино, регистрируемый в экспериментах, чем предсказание теории) было подтверждено в серии экспериментов в Камиоканде (Япония) и в двух сериях экспериментов по регистрации солнечных нейтрино в галлиевых детекторах SAGE (Баксанский нейтринный детектор, Россия) и GALLEX (Гран Сассо, Италия).

Убедительное подтверждение подавления потока электронных нейтрино от Солнца было получено в эксперименте SNO (Sudbery Neutrino Observatory, Канада) в 2002 году. К тому же, в этом же эксперименте было показано, что полный поток нейтрино, включающий сумму потоков трех сортов флейворных нейтрино – электронных, мюонных и тау-нейтрино, в точности согласуется (совпадает по величине) с теоретическим предсказанием стандартной солнечной модели о количестве испускаемых нейтрино. Это последнее обстоятельство сыграло важнейшую роль в развитии физики нейтрино, так как оно однозначно доказало, что на пути от источника нейтрино в глубинных слоях Солнца до экспериментальной установки, детектирующей нейтрино на Земле, общее число всех сортов нейтрино остается неизменным. Однако в общем потоке изменяется относительное содержание нейтрино различных сортов.

Первооткрывателю подавления потока солнечных нейтрино Р. Дэвису в 2002 году была присуждена Нобелевская премия за вклад в нейтринную астрофизику.

«Проблема атмосферных нейтрино», по сути, аналогична «проблеме солнечных нейтрино». Здесь также при регистрации в лабораторных экспериментальных установках фиксируется существенный недостаток нейтрино, идущих на Землю от верхних слоев атмосферы. Единственное существенное отличие – здесь речь идет о дефиците мюонных нейтрино, а не об электронных, как в случае солнечных нейтрино.

Смешивание и осцилляции нейтрино

Настойчивые попытки ученых найти решение проблемы солнечных и атмосферных нейтрино, то есть понять и объяснить причину подавления потоков нейтрино от Солнца и верхних слоев атмосферы в экспериментальных установках4, позволило обнаружить удивительное свойство нейтрино, которое, несомненно, является важнейшим открытием в физике элементарных частиц.

На основании многочисленных наблюдений за потоками нейтрино ученые пришли к выводу, что изменение содержания различных сортов нейтрино в общем потоке происходит по гармоническому закону (то есть, как известные из школьного курса математические функции косинус или синус) в зависимости от пройденного нейтрино расстояния. Поэтому говорят об осцилляциях нейтрино. Благодаря этому 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.

Прежде, чем перейти к более подробному обсуждению, что же такое смешивание и осцилляции нейтрино, сделаем одно общее замечание.

Экспериментальное изучение свойств нейтрино является архисложной задачей вследствие, образно говоря, чрезвычайной «малости» и «незаметности» частицы. Ведь, действительно, нейтрино крайне слабо связано с другими частицами, и масса нейтрино также крайне мала, может быть, в миллионы раз меньше, чем масса электрона, и в миллиарды раз меньше, чем масса нейтрона или протона (а может быть, и еще меньше!).

По этой причине, как уже было не раз за годы развития современной физики элементарных частиц, нейтрино выходит на авансцену на завершающем этапе проведения физических исследований в рамках конкретной теоретической модели их взаимодействия, когда все основные свойства остальных элементарных частиц и основные закономерности их взаимодействий уже достаточно полно описаны теоретически и хорошо проверены в многочисленных экспериментах. При этом информация о свойствах нейтрино остается крайне неопределенной или вообще отсутствует, как это было до выступления В. Паули с предсказанием существования нейтрино в 1930 году. По этой причине нейтрино уже не раз выступало провозвестником «новой физики».

В то же время, любое достоверно установленное новое свойство нейтрино придает новый мощный импульс для развития теории, что, в свою очередь, ведет к более полному и глубокому пониманию закономерностей окружающего нас мира.

Есть и другой важнейший аспект чрезвычайной «малости» и «незаметности» нейтрино. Возникающее рассогласование предсказаний теоретической модели взаимодействий частиц с данными экспериментов при изучении того или иного явления может быть отнесено к новому проявлению ранее неизвестных свойств нейтрино. То есть, нейтрино выступает как своего рода «палочка-выручалочка», способная примирить теоретические предсказания и экспериментальные данные.

В такой роли нейтрино выступило на заре квантовой теории, спасая закон сохранения энергии в бета-распаде ядер. И сейчас, в последние два десятилетия, прямо на наших глазах, новые, только что открытые, поразительные и уникальные свойства нейтрино – смешивание и осцилляции – позволяют снять, казалось бы, неразрешимые противоречия, возникающие при сопоставлении теоретических предсказаний для нейтринных потоков, идущих от Солнца и верхних слоев атмосферы, с соответствующими экспериментальными данными о потоках солнечных и атмосферных нейтрино, получаемые в наземных установках.

 

 

Для возникновения осцилляций необходимо, чтобы существовало смешивание между различными сортами нейтрино, то есть, чтобы нейтрино различных сортов имели возможность самопроизвольно менять свой сорт. Кроме того, для данного явления важно, чтобы нейтрино были массивны, так как осцилляции нейтрино невозможны, если нейтрино является строго безмассовой частицей.

Решение проблемы солнечных и атмосферных нейтрино

Схема решения проблемы солнечных нейтрино на основе осцилляций заключается в следующем. Часть из рожденных в ядерных реакциях в недрах Солнца электронных нейтрино на пути к Земле переходят в нейтрино других сортов (преимущественно в мюонные нейтрино). Это приводит к тому, что в детекторе солнечных нейтрино в земной экспериментальной установке обнаруживается меньше электронных нейтрино, а их недостаток обнаруживается как нейтрино других сортов. Таким образом, хотя общий суммарный поток всех сортов нейтрино остается неизменным, распределение числа нейтрино между различными сортами изменяется за время прохождения частиц из недр Солнца к Земле.

Указанная схема реализуется, если допустить, что нейтрино как частица может иметь двойственную сущность. То есть, имеет место своеобразный дуализм, заключающийся в том, что при рассмотрении физических процессов взаимодействия нейтрино (процессов рождения нейтрино в ядерных реакциях и процессов взаимодействия нейтрино с веществом детекторов) и при рассмотрении распространения нейтрино от источника к детектору следует использовать два различных способа описания этой частицы. При взаимодействии с другими частицами нейтрино проявляет себя как нейтрино определенного сорта, то есть как флейворное нейтрино. При распространении нейтрино в пространстве нужно описывать частицу как обладающую определенной массой или в терминах массовых состояний нейтрино.

Таким образом, нейтрино нарушает наше интуитивное представление об элементарных частицах. Нейтрино может либо принадлежать к конкретному сорту (обладать определенным флейвором), либо обладать определенной массой, но не двумя точными значениями этих характеристик одновременно.

Так как два подхода дают описание одного и того же объекта (нейтрино), то между ними должна быть связь. Эта связь реализуется за счет существования смешивания нейтрино различных типов: каждое из трех флейворных нейтрино является суперпозицией массовых состояний нейтрино, и наоборот, каждое из массовых состояний нейтрино есть суперпозиция флейворных нейтрино. Массовый состав каждого из флейворных нейтрино фиксируется постоянными коэффициентами, которые в настоящее время определяются из экспериментов по осцилляциям нейтрино и которые физики для удобства описания объединяют в так называемую «матрицу смешивания нейтрино».

Для описания распространения рожденного в недрах Солнца потока флейворных (электронных) нейтрино нужно представить их в виде суперпозиции массовых состояний нейтрино. Массовые нейтрино обладают различными массами и поэтому при одинаковой энергии распространяются в пространстве с различной скоростью. В результате различные массовые состояния нейтрино достигнут детектора в разное время. Более тяжелые массовые нейтрино придут в детектор позже более легких. Чтобы провзаимодействовать с веществом детектора, дошедшие до детектора массовые нейтрино должны снова объединиться в нейтрино флейворные.

В результате из-за указанного выше запаздывания пришедший пучок нейтрино в детекторе будет иметь отличный от исходного флейворный состав. То есть, будет фиксироваться недостаток электронных нейтрино и появление нейтрино двух других флейворов (мюонных и тау-нейтрино).

Впервые идею смешивания и осцилляций различных типов нейтрино выдвинул Б.М. Понтекорво в 1957 году.

Роль нейтрино в физике элементарных частиц

Появление нейтрино в начале 30-х годов XX века ознаменовало начало современного этапа развития физики элементарных частиц, одним из главных отличительных признаков которого является возможность перехода одних типов частиц в другие, то есть превращения частиц в результате их взаимодействия между собой. При этом, по мере расширения знаний о свойствах нейтрино, шел постоянный процесс развития теории взаимодействия частиц, которая, образно говоря, нанизана на нейтрино, и свойства нейтрино определяют фундаментальные закономерности микромира.

Предсказание существования нейтрино позволило подтвердить незыблемость закона сохранения энергии при ядерном бета-распаде. Далее, опираясь на гипотезу о существовании нейтрино, Энрико Ферми построил первый вариант теории слабых взаимодействий. Следующим ключевым моментом в развитии современной теории взаимодействия частиц, связанным с нейтрино, явилось открытие в 1957 году группой ученых под руководством Ву несохранения пространственной четности в слабых взаимодействиях.

Почти сразу же после обнародования результатов экспериментов Ву в том же 1957 году Л.Д. Ландау, Ли, Янг и А. Салам связали эту особенность слабых взаимодействий со свойствами нейтрино. В 1958 году появились две ключевые статьи, выпущенные Ричардом Фейнманом в соавторстве с Мюрреем Гелл-Манном5 и Робертом Маршаком в соавторстве с Эннакалом Сударшаном. Свойство нейтрино было распространено на другие частицы, участвующие в слабых взаимодействиях, а в дальнейшем было включено и в новейший вариант теории взаимодействий, основы которого были сформулированы в 60-х годах прошлого века в работах нобелевских лауреатов Шелдона Глешоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама. Данный вариант теории, объединяющий слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия, получил название Стандартной теории взаимодействия элементарных частиц.

Напомним, что одно из ключевых предсказаний Стандартной модели, существование новой частицы – бозона Хиггса, находит подтверждение в идущих в настоящее время экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Особо отметим, что победное шествие Стандартной модели взаимодействия частиц не обошлось без участия нейтрино. Объединение слабых и электромагнитных взаимодействий в рамках предложенной схемы невозможно без существование другой новой частицы – нейтрального Z-бозона – и связанного с ней характерного превращения частиц без изменения их заряда (вызванные так называемыми нейтральными токами). Так вот, нейтральные токи были обнаружены в экспериментах по рассеянию нейтрино на нуклонах, проведенных в 1973 году на ускорителе в ЦЕРНе. Этот факт явился важнейшим подтверждением справедливости Стандартной теории взаимодействия элементарных частиц.

Эпилог

За последние полтора десятилетия, начиная с 1998 года, в исследованиях нейтрино достигнут впечатляющий прогресс благодаря тому, что окончательно удалось экспериментально подтвердить существование смешивания и осцилляций нейтрино и на этой основе найти согласованное объяснение результатам экспериментов с атмосферными, солнечными, реакторными и ускорительными нейтрино. Из факта существования смешивания и осцилляций нейтрино следует наличие у нейтрино ненулевой массы и несохранение числа частиц определенного сорта (флейвора) в процессах взаимодействия частиц с участием нейтрино.

Открытие смешивания и осцилляций нейтрино является прямым указанием на необходимость выхода за пределы Стандартной теории взаимодействий частиц, которая, если исключить из рассмотрения нейтрино, прекрасно описывает все другие элементарные частицы и их взаимодействия. В рамках Стандартной модели нейтрино – безмассовая частица, и смешивание между различными типами нейтрино отсутствует.

Что будет дальше? Уже сейчас очевидно, что Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц не является окончательной истиной и нуждается в дальнейшем развитии и обобщении.

И опять нейтрино будет играть здесь определяющую роль, поскольку уже надежно установленные свойства этой частицы, такие как ненулевая масса, наличие смешивания и осцилляций нейтрино, выходят за пределы Стандартной модели. Без всякой натяжки можно утверждать, что нейтрино является единственной из известных элементарных частиц, которая демонстрирует свойства, выходящие за ее предсказания.

Таким образом, нейтрино продолжает играть ключевую роль в познании закономерностей строения нашего мира, открывая окно в «новую физику».

Александр Студеникин –
доктор физико-математических наук,
профессор кафедры теоретической физики,
директор Научно-образовательного центра
«Лаборатория физики нейтрино и астрофизики»
физического факультета МГУ,
председатель оргкомитета
16-й Ломоносовской конференции
по физике элементарных частиц.

 

Источник