III. Какова масса нейтрино?

Обсуждая кандидатов на роль темной материи, мы поговорили и о нейтрино и тут же отмели его. «Легковат», – сказали мы. Если бы вы спросили нас, какова на самом деле масса нейтрино, мы бы начали ерзать и опускать глаза. Попросту говоря, мы не знаем, а долгое время вообще полагали, что нейтрино лишены массы. Оказывается, это не так, но первые признаки того, что нейтрино обладают массой, мы пронаблюдали практически случайно.

Природные фабрики нейтрино

Нейтрино – этакие проказливые чертенята. Поскольку они участвуют только в слабом взаимодействии, их нельзя взвесить, а поскольку они электрически нейтральны, на них не действуют электромагнитные поля. Зато мы можем создавать их в ядерных реакторах, и природные реакторы, они же звезды, производят их в изобилии.

Мы расскажем вам одну историю. Примерно 160 тысяч лет назад в одной галактике неподалеку от нас – в Большом Магеллановом Облаке – произошла вспышка сверхновой. Поскольку свет добирается до нас не мгновенно, увидели мы эту вспышку лишь в 1987 году, и это было одно из самых примечательных астрономических событий в истории человечества. Вместе с излучением во время вспышки высвободилось громадное количество нейтрино – настолько громадное, что очень много нейтрино долетели до Земли. Нам повезло, у нас были наготове мощные детекторы, и мы засекли пик нейтрино в тот самый момент, как только увидели свет вспышки. То есть нейтрино прибыли к нам если не со скоростью света, то по крайней мере настолько близко к скорости света, что мы не были в состоянии отметить разницу. Это было предпоследнее свидетельство в пользу того, что если нейтрино и не лишены массы, они необычайно легкие даже по субатомным стандартам.

Наверное, вы думаете, будто то, что мы установили и настроили мощные детекторы как раз перед вспышкой сверхновой 1987А – это крайнее везение. Ну что вы, везение тут ни при чем, и вам это станет понятно, когда мы расскажем, как выглядят некоторые детекторы нейтрино. Это гигантские подземные бассейны с суперчистой водой. Вспомнили? Ну конечно. Многие из установок для опытов по распаду протонов в результате сослужили двойную службу – стали обсерваториями нейтрино.

Предсказать вспышку сверхновой невозможно, поэтому представляется несколько неконструктивным дожидаться сверхновой в надежде наловить нейтрино. К счастью, сверхновые – не единственные фабрики нейтрино. Наше собственное Солнце вырабатывает нейтрино в похожих количествах вместе с фотонами в ходе своих термоядерных упражнений. Просто фотоны больше бросаются в глаза.

Ловлей нейтрино мы занимаемся уже довольно давно. В 1960-е годы большой интерес вызывали попытки засечь нейтрино с Солнца, поэтому Раймонд Дэвис из Брукхавенской национальной лаборатории и Джон Бакалл, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, возглавили работу по строительству… да, вы угадали: гигантского подземного бассейна. Обсерватория Хоумстейк, построенная в заброшенных золотых копях в Южной Дакоте, на самом деле была бассейном на тысячи кубометров, наполненным моющим средством. Нейтрино влетает, ударяется о какой-нибудь атом хлора, превращает хлор в радиоактивный аргон, а аргон распадается, испуская свет. Проще некуда!

Единственная сложность состоит в том, что детекторы не принесли ожидаемых результатов. Бакалл предсказывал, что будет получено раза в два-три больше нейтрино, чем засекли на самом деле. Последующие эксперименты, в которых вместо моющего средства использовалась вода, показали то же самое.

Кто-то крадет почти все нейтрино! Но кто?!

Подлог и мошенничество в мире нейтрино

До сих пор мы старательно обходили некоторые вопросы, которые, вероятно, возникли у вас при осмотре нашего полицейского архива в главе 4. Существует три разных типа нейтрино – электронное, мю и тау. Мы не рассказали, чем они различаются, однако в процессе термоядерного синтеза образуются именно электронные нейтрино, поскольку в процессе участвуют еще и электроны. Первые детекторы нейтрино регистрировали только электронные нейтрино, а остальные два типа оказывались попросту невидимыми. Вероятно, «исчезнувшие» нейтрино каким-то образом (по мановению волшебной палочки?) превращались из электронных нейтрино во что-то другое.

Красота физической науки заключается в том, что можно взять на первый взгляд несовместимые идеи, чтобы объединить и истолковать явления, которые иначе ничем не объясняются. Рассмотрим три соображения – вроде бы никак не связанные между собой.

1. Частицы, которые представляются нам одинаковыми, например электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх, на самом деле при некоторых обстоятельствах ведут себя как разные частицы. Верно и обратное. Две частицы, которые представляются нам разными, при некоторых обстоятельствах ведут себя как одинаковые. Например, протоны и нейтроны ведут себя совершенно одинаково, когда происходит только сильное взаимодействие. Если разница достаточно велика, мы говорим, что это две разные частицы, а если разница незначительна (например, электрон со спином, направленным вниз, и электрон со спином, направленным вверх), говорим, что это два разных состояния одной и той же частицы.

2. Многие частицы не находятся в том или ином конкретном состоянии, а являют собой сочетание двух и более разных состояний. В главе 3 мы видели, что направление спина электрона совершенно случайно и становится определенным, только если мы его наблюдаем. Иначе говоря, он одновременно направлен вверх и вниз, и каждое состояние может быть наблюдаемо с некоторой вероятностью. Квантовая механика изобилует частицами, которые одновременно предаются двум (на первый взгляд) взаимоисключающим занятиям.

3. Частицы ведут себя как волны. Когда мы рассказали вам об этом в главе 2, то пренебрегли одной тонкостью, которая сейчас окажется нам полезной. Если «волна» осциллирует (то есть колеблется) между двумя различными состояниями, то чем больше разница в энергии между этими состояниями, тем быстрее будут осцилляции.

А теперь объединим эти три соображения, соберемся с духом и сделаем обескураживающее, однако совершенно верное предположение – нейтрино разных видов могут превращаться друг в друга.

Эксперименты показали, что у нас есть три разновидности нейтрино: одно взаимодействует с электроном, другое – с мюоном и третье – с тау-частицей. Мы представляем себе электрон как комбинацию двух частиц – электрона со спином, направленным вниз, и электрона со спином, направленным вверх; так вот и нейтрино тоже можно представить себе подобным же образом. Давайте считать, что существует три разных типа нейтрино – № 1, № 2 и № 3 в порядке увеличения массы.

Нейтрино № 1 состоит по большей части из электронного нейтрино в сочетании с хорошей дозой мю-нейтрино и капелькой тау-нейтрино. Нейтрино № 2 устроено иначе, а нейтрино № 3 представлено третьим набором качеств. Неважно, как мы будем их называть – тремя состояниями одной частицы или тремя разными частицами. Важно другое: нейтрино не будут выглядеть каждый раз одинаково. Это соображение получило название осцилляции нейтрино, поскольку нейтрино осциллируют между тремя «личинами» – электронным, тау и мю.

Где же тут красота? А вот где: все это возможно, только если нейтрино обладают массой, мало того, разной массой. Это прямо следует из квантовой механики. Если они не обладают разной массой, значит, энергия между разными состояниями равна нулю (E = mc² !!!), никакой нейтринной осцилляции не будет, и мы не будем наблюдать это явление.

Как измерить разницу в массах

Понять, что нейтрино осциллируют и, следовательно, обладают массой, достаточно просто, это почти что очевидно, но взвесить их на практике трудно – поскольку эксперимент должен быть чистым и с соблюдением ряда условий.

1. Разживитесь атмосферой и подвергните ее бомбардировке космическими лучами. К счастью, атмосфера у нас уже есть. Космические лучи атакуют молекулы воздуха и в числе прочего производят антинейтрино – мю и электронные.

2. Выройте глубоко под землей большой бассейн, наполните сверхчистой водой и снабдите детекторами. Поскольку мы все равно дожидаемся распада протона, такие бассейны у нас тоже уже есть.

3. Подсчитайте электронные и мюонные антинейтрино и посмотрите, сходится ли ответ.

Если нейтрино обладают массой, то на пути из атмосферы к датчику множество мюонных антинейтрино превратятся в электронные антинейтрино, так что детектор нейтрино обнаружит дефицит нейтрино по сравнению с ожидаемым количеством.

В 1998 году этот эксперимент напал на золотую жилу – на «Супер-Камиоканде» первыми обнаружили недвусмысленные признаки осцилляции нейтрино, а следовательно, нейтрино обладают массой. Последующие эксперименты это подтвердили и наложили ограничения на массу нейтрино.

Наверное, вы понимаете, что без осложнений не обошлось. Первое осложнение – в ходе экспериментов масса нейтрино измерена не была, зато выяснилось соотношение нейтрино разных типов, например количество мю-нейтрино в нейтрино № 1. Стандартная модель не дает нам абсолютно никаких объяснений, почему нейтрино смешиваются именно в таком соотношении, а между тем нам крупно повезло, что эти соотношения именно таковы. Иначе было бы крайне трудно обнаружить тот факт, что они вообще смешиваются.

Второе осложнение – непонятно, почему у нейтрино вообще есть масса. Стандартная модель изначально не предполагает массу у нейтрино, и большинство изданных в последнее время учебников по физике частиц предполагают, что нейтрино лишены массы. Но если считать, что масса у них все-таки есть, почему она такая маленькая? Нынешний верхний предел для массы нейтрино – примерно в миллион раз меньше массы электрона, самой легкой элементарной частицы, масса которой установлена. Ответа на этот вопрос у нас нет, как нет и никакой причины выбрать то или иное значение массы.

Третье осложнение – то, что массу нейтрино в результате этих экспериментов узнать невозможно. Математические выкладки позволяют только выяснить разницу между квадратом масс разных типов нейтрино. Если мы сумеем вычислить массу одного из типов, будет проще простого подсчитать массы остальных двух.

Как найти абсолютное значение масс

Последние двадцать лет физики ставят перед собой цель вычислить абсолютные значения масс нейтрино, а для этого надо узнать, какова масса какого-нибудь одного типа нейтрино. В Германии сейчас ставят эксперимент под названием KATRIN в надежде, что он сумеет непосредственно установить массу электронного нейтрино.

Устройство эксперимента относительно просто. Берете большой чан трития. Тритий – сравнительно редкая разновидность водорода, состоящая из 1 протона и 2 нейтронов. Он довольно-таки нестабилен, поэтому в скором времени начнет распадаться на гелий‑3, а главное – испустит электрон (засечь который проще простого) и электронное нейтрино, существование и энергию которого можно будет вычислить. Поскольку мы знаем общее количество энергии, которое выделится при распаде, и можем измерить количество энергии электрона, значит, вся остальная энергия будет принадлежать нейтрино. А поскольку мы пронаблюдаем очень много распадов отдельных атомов, то сможем измерить минимальное количество энергии в нейтрино, то есть энергию, необходимую, чтобы получить его массу согласно E = mc ². Этот и последующие эксперименты позволят нам вычислить массу электронного нейтрино с точностью до 0,04 % массы электрона.

Подготовка эксперимента завершится в 2011 году, так что мы полагаем, что получим точный ответ – причем скорее рано, чем поздно.