Путешествие VI
Далеко-далеко, в стране Нейтрино
Короткий, но многотрудный поход по пересеченной местности.
•
Бюджетная авиакомпания.
•
Перемешаем получше.
•
Когда у частицы и античастицы одно лицо
XXIII. Вещество без массы?
На острове Лептонов порт Электрон был нашим самым первым перевалочным пунктом. Впоследствии мы обнаружили новые населенные пункты на этом острове, Мюон и Тау-лептон, и побывали там. До двух последних мест легко добраться как морем, так и по автостраде. И мюон, и тау-лептон обладают электрическим зарядом, и поэтому сила электромагнитного взаимодействия дает легкий доступ к ним. Побывав в их аэропортах и узнав о слабом взаимодействии, мы уже несколько раз краем уха слышали о нейтрино.
Мы ознакомились с табло вылета, где значились рейсы в Электронное Нейтрино, Мюонное Нейтрино и Тау-Нейтрино, и отметили, что на посадку спешат довольно много народу, из чего заключили, что это весьма востребованные рейсы. Но пока мы ничего не знаем об этих загадочных поселениях. Туда не добраться ни по автомобильной трассе, ни по железной дороге, потому что ни электромагнитные, ни сильные взаимодействия туда не ведут. Слабое взаимодействие может нас туда доставить по воздуху, но до сих пор мы летали на слишком большой высоте. Мы сумели разглядеть, что эти поселения – важная часть мира на нашей карте, а еще мы видели, что они важны для процесса бета-распада и реакций, заставляющих гореть Солнце. И, пожалуй, все.
Несмотря на труднодоступность этих поселений, настало время узнать о них больше.
Существование нейтрино в 1930 году впервые постулировал австрийский физик-теоретик Вольфганг Паули. Известно его печальное высказывание: «Я сделал ужасную вещь: я заявил о частице, которую нельзя обнаружить». Причина, по которой Паули сделал это, была связана с бета-распадом. Как мы видели, при бета-распаде распадающееся ядро испускает электрон. Эти электроны можно обнаружить, а их энергию можно измерить. Одним из основных законов физики является закон сохранения энергии и импульса – до и после эксперимента они должны быть одинаковы. Мы используем это обстоятельство, чтобы сделать некие прогнозы.
Представьте, что перед тем, как распасться, ядро неподвижно. Общий импульс равен нулю. Следовательно, после распада общий импульс тоже должен быть равен нулю, так как суммарный импульс системы должен сохраниться. Последнее означает, что если электрон движется в одном направлении, то ядро с необходимостью должно отскочить в противоположном направлении, чтобы скомпенсировать импульс электрона и оставить суммарный импульс системы равным нулю. Точно так же сохраняется и энергия. Электрон и отлетающее от него ядро обладают некоторым количеством кинетической энергии, и конечная масса ядра будет немного уменьшена во время распада – уменьшена на количество, в точности достаточное для обеспечения массы электрона и этой кинетической энергии.
Если сложить все сказанное вместе, то можно решить уравнения сохранения и точно предсказать импульс, которым с необходимостью должны обладать все электроны.
Другие виды излучения (альфа- и гамма-) подтверждают этот вывод. Для конкретного ядерного распада альфа-частицы и гамма-лучи обладают фиксированной энергией. А вот для бета-лучей ответ… неправильный. Электроны имеют разброс импульсов и энергий, которые всегда меньше, чем предсказываемые. Это проблема.
Есть только два варианта: либо закон сохранения энергии и импульса для бета-распада не выполняется (этот вариант был предложен в качестве решения датским физиком Нильсом Бором), либо мы что-то в процессе бета-распада не учитываем.
Паули избрал второй вариант, введя нейтрино, которое могло бы переносить переменное количество энергии и импульса и, таким образом, уравновесить ядро и электрон. Энергия и импульс все равно будут сохранены, но электрон теперь сможет обладать некоторым диапазоном энергий, как это и наблюдается, причем максимальное значение энергии электрона соответствует практически нулевой энергии нейтрино, а минимальное значение энергии соответствует тому, что нейтрино уносит с собой как можно больше энергии.
Все значения энергии в этом диапазоне будут соответствовать закону сохранения импульса и будут распределены случайным образом в соответствии с вероятностной природой квантовой механики.
И вот мы, исследователи, сидим в зале прилета в аэропорту вблизи верхнего кварка. Мы видим все больше пассажиров, которые сходят с трапа. Некоторые пассажиры либо… исчезают (что смотрелось бы очень тревожно), либо переходят на стыковочные рейсы к нейтрино. К счастью, имеет место именно последнее. Паули был прав, когда предположил существование нейтрино. Однако он ошибался, когда говорил, что обнаружить их нельзя. С острова Лептонов добраться до Нейтринного сектора очень трудно, но тем не менее возможно.
В первоначальном варианте стандартной модели нейтрино находились в уникальном положении – это была единственная безмассовая частица вещества. Причина этого была связана со слабым взаимодействием – единственным взаимодействием, которое они испытывают.
Как мы видели, изучая авиалинии на нашей карте, слабая сила взаимодействует только с одной киральностью: либо с левосторонними частицами, либо с правосторонними античастицами. Поскольку единственной силой, которую «чувствует» нейтрино, является слабое взаимодействие, это означает, что правосторонние нейтрино и левосторонние антинейтрино совершенно недоступны в стандартной модели. К ним нет доступа ни по автостраде, ни по железной дороге, ни по воздуху. Электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия не соединяются с ними! Было бы менее тревожно, если бы таких частиц совсем не было – в конце концов, как бы мы вообще могли сказать, что они есть? Как это связано с безмассовостью нейтрино в исходной стандартной модели?
Существует занятная связь между теорией относительности и квантовой теорией поля, которую нам придется обсудить, чтобы получить доступ в Нейтринный сектор и правильно понять происходящее там.
При взгляде на странное асимметричное поведение слабого взаимодействия и учете того факта, что оно влияет только на левосторонние частицы и правосторонние античастицы, мы не зря говорили только о частицах без массы. Дело в том, что коль скоро частица обладает массой, то определять левые и правые частицы становится несколько сложнее. Спиральность – направление спина по отношению к направлению движения – перестает определять киральность. Все еще можно определить киральность как особенность слабого взаимодействия, но для массивной частицы киральность больше не эквивалентна спиральности. Это выглядит вполне разумно, потому что спиральность частицы зависит от относительной скорости наблюдателя и частицы. Если мы преследуем частицу с положительной спиральностью и обгоняем ее, то ее спин не меняет направления, но ее относительное движение меняет направление, и поэтому спиральность переворачивается. То же самое произойдет, если мы посмотрим на стрелки часов с обратной стороны циферблата – для нас они будут двигаться против часовой стрелки. Обгоняя частицу, мы изменяем ее спиральность. Если бы это изменило слабое взаимодействие, то это было бы однозначно наблюдаемо и дало бы нам метод измерения абсолютной скорости, что противоречило бы теории относительности. Мы могли бы использовать слабое взаимодействие, чтобы определить абсолютное направление движения частицы, без привязки к чему-то еще. Так же плохо было бы, если бы мы поймали частицу, но не обогнали ее – другими словами, если бы она стала для нас неподвижна. Для неподвижной частицы, очевидно, нет направления движения, поэтому нет и определенной спиральности.
Так что же делает слабое взаимодействие? Когда я догоняю и обгоняю частицу, то меняется спиральность, но киральность не меняется и слабое взаимодействие тоже не меняется. Все безмассовые частицы движутся со скоростью света, их невозможно привести в состояние покоя или обогнать. Для безмассовых частиц спиральность и киральность идентичны. Для массивных частиц спиральность все еще коррелирует с киральностью, но не идентична ей.
Из всего сказанного следует, что массивные частицы с определенной спиральностью не обладают определенной киральностью и, наоборот, частицы с определенной киральностью не обладают определенной спиральностью. Таким образом, если мы создаем чистый пучок частиц с определенной спиральностью, он с необходимостью должен содержать обе киральности. Для массивной частицы в природе обязательно существуют обе киральности, но для безмассовой частицы есть только одна киральность.
Вернемся к идее безмассовости нейтрино. Если нейтрино не имеет массы, то мы можем построить теорию, содержащую только или левосторонние нейтрино, или правосторонние антинейтрино. Должны существовать только те частицы, которые фактически принимают участие во взаимодействиях, содержащихся в стандартной модели. Правые нейтрино и левые антинейтрино даже существовать не должны.
Вспомним о бритве Оккама: Non sunt multiplicanda entia sine necessitate. Другими словами, самый простой ответ, как правило, правильный. Стандартная модель была изначально построена таким образом, что не содержала правых нейтрино и левых антинейтрино. На карте в этом месте было белое пятно. И это означало, что нейтрино должны были быть безмассовыми. Мы говорим о том, что в неизведанных нейтринных пустошах, которые можно достичь только на самолете, есть только аэропорты и больше ничего.
Но так ли это на самом деле?
