XXIV. Стандартная модель умерла. Да здравствует стандартная модель!

Наконец мы совершаем полет к одному из нейтрино – к Электронному Нейтрино – и начинаем исследовать окружающую территорию. Согласно стандартной модели, в тех землях мы ничего не увидим, кроме этого крошечного аэропорта (и еще двух похожих на него – Мюонного Нейтрино и Тау-Нейтрино). Но по мере дальнейших исследований к нам начинают подкрадываться сомнения. Само по себе уже было странно, что есть такие частицы, которые могут иметь только одну направленность; но главной проблемой для физиков была «проблема солнечных нейтрино», с которой впервые столкнулись в своих экспериментах американские физики Реймонд Дэвис-младший и Джон Баколл в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века.

Суть проблемы с солнечными нейтрино, как это понимали Дэвис и Баколл, – в том, что их недостаточно. Наши знания о строении Солнца и ядерной физике приводят нас к предсказанию того, что определенное количество нейтрино должны производиться в результате реакций синтеза на Солнце. Это должны быть «электронные нейтрино», то есть они должны возникать совместно с электронами, как при радиоактивном бета-распаде нестабильных ядер.

Поскольку нейтрино подвержены влиянию только слабого взаимодействия, то они взаимодействуют очень редко, и поэтому их очень трудно обнаружить. Но они, однако, могут рассеиваться на ядрах и производить электроны. Такой процесс включает обмен W-бозоном, который несет электрический заряд, и называется взаимодействием заряженных токов. В некотором смысле это процесс, обратный тому, с помощью которого первоначально создается нейтрино. Баколл и Дэвис предсказали, как часто такой процесс должен происходить – в конкретном случае солнечных нейтрино, которые соударяются с ядрами хлора и дают в результате аргон и электрон, – и разработали и сконструировали уникальный эксперимент по измерению этого эффекта.

В эксперименте использовалось 400 тонн тетрахлорэтилена – химического вещества, которое обыкновенно используется для сухой химической чистки. Нейтринные реакции внутри этого вещества производят аргон, превращая один из нейтронов в атоме хлора в протон. Такие реакции настолько редки, что резервуар, содержащий жидкость, должен находиться глубоко под землей, чтобы быть защищенным от других частиц.

Дэвис использовал подземный золотоносный рудник Хоумстейк в Южной Дакоте, США. Произведенный аргон был изотопом с 19 нейтронами и 18 протонами внутри ядра, нестабильным, но распадавшимся довольно медленно, при этом половина атомов в любом образце распадалась за пять недель. Дэвис собирал аргон каждые пять недель и подсчитывал его количество, детектируя процессы его распада. Он обнаружил, что количество аргона меньше, чем предсказывали вычисления Баколла, основанные на наших знаниях о Солнце. Число нейтринных взаимодействий оказалось в три раза меньше, чем ожидалось. Что-то было не так. Либо мы не понимали устройства Солнца, либо ядерной физики, либо были ошибочными эксперименты, либо стандартная модель физики частиц была неверна. Результаты были настолько неожиданными, что многие отнесли их на счет недостаточно чисто проведенного эксперимента. Но Дэвис продолжал собирать данные и совершенствовал свой эксперимент, и другие эксперименты в последующие годы давали такие же результаты. Расхождение сохранялось.

Если бы проблема была с Солнцем, нас могли поджидать серьезные неприятности. Реакции синтеза, которые управляют Солнцем, производят нейтрино и фотоны. Фотоны согревают нас – это и есть солнечный свет!

Почти все нейтрино, не стесняясь, проходят прямо сквозь Землю. Нейтрино, рожденное в недрах Солнца, достигает нас примерно за девять минут, путешествуя со скоростью света. А вот фотон задерживается в Солнце, подпрыгивая в плазме туда-сюда, поглощается и повторно переизлучается много раз в течение тысяч лет, прежде чем достигнуть солнечной поверхности. Очутившись там, он также доберется до Земли примерно за девять минут.

Одной из возможных причин нехватки нейтрино может быть тот факт, что в недрах Солнца происходит меньше термоядерных реакций, чем мы ожидаем. Быть может, подумали ученые, эксперименты указывают на то, что у Солнца заканчивается топливо. Недостаток, который пока еще не повлиял на солнечный свет и тепло, которые мы от него принимаем из-за временного запаздывания фотонов, попадающих на его поверхность. Но, при таком предположении, дни Солнца – или по крайней мере годы – сочтены.

Если бы проблема действительно заключалась в физике частиц, то решение было бы менее угрожающим, но тем не менее интригующим. Такое решение обусловлено тем фактом, что экспериментально измеренное количество нейтрино оказалось слишком низким – в три раза ниже ожидаемого.

Мы знаем, что в стандартной модели существуют три разных типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Каждое из них состоит в дуплете со своим партнером – заряженным лептоном, и каждое взаимодействует со своим лептоном посредством W-бозона, подчиняясь закону слабого взаимодействия.

Аэропорты – единственный путь в Нейтринный сектор острова Лептонов.

Однако эксперименты смогли обнаружить только первый тип нейтрино – электронное. Нейтрино от Солнца должны быть электронными, потому что это соответствует нашему пониманию процессов ядерного синтеза. Но что, если нейтрино как-то меняются на пути от Солнца к Земле? Что делать, если типы нейтрино смешались, так что к тому времени как они достигают нас, они содержат равное количество всех трех типов? Тогда это объяснило бы несоответствие теории и эксперимента, потому что две трети нейтрино были бы невидимы для детектора.

В стандартной модели уже существует способ изменения типов – или ароматов – частиц материи. Мы это уже видели на острове Кварков. «Версии» кварков, обладающих определенной массой, не совпадают в точности с их «версиями», которые рождаются в результате слабого взаимодействия, – на нашей карте аэропорты расположены не в том же месте, что и города. Так, кварки могут изменять свой аромат по мере своего движения и осциллировать между ароматами.

Происходит ли то же самое с нейтрино? Если нейтрино смешивают ароматы на пути от Солнца к Земле, то в среднем наиболее вероятно получить одинаковое количество всех трех типов нейтрино, когда они достигают наших детекторов. Два типа из трех были бы полностью невидимы, и, таким образом, измерения детектора дали бы правильный ответ, показывая слишком низкое – в три раза меньше – количество нейтрино. Действуя аналогично тому, как это было на острове Кварков, попробуем справиться таким образом и с нейтрино. Нам нужна ситуация, когда аэропорты не в точности совпадают с положением городов, и нам нужно количественно оценить эффект, используя матрицу смешивания теперь уже для нейтрино, так же, как мы это делали для кварков. Но для этого нам нужны три нейтринных города, так же, как и в случае кварков, расположенных отдельно от аэропортов.

Однако отличительной чертой этих городов являются их определенные и четкие значения масс. Это не сработает, если масса всех нейтрино одинаковая! Если мы будем использовать смешивание нейтрино для решения проблемы солнечного нейтрино, то нейтрино обязательно должны обладать разными массами. В частности, это означает, что по крайней мере два из них (вероятно, и все три) с необходимостью должны обладать ненулевыми массами. Мы знаем, что такое умозаключение приведет к серьезным последствиям. Вспоминая изученные нами раньше спиральность и киральность, мы можем сказать, что ненулевые массы нейтрино означают, что левосторонние нейтрино могут превращаться в правосторонние, и мы больше не сможем ограничиться только левосторонними нейтрино и правосторонними антинейтрино. Получается, что должны существовать и правосторонние нейтрино. Другими словами, мы должны ввести совсем новую частицу, которая не подчиняется ни одной из сил взаимодействия в стандартной модели!

Чтобы докопаться до правды, нам нужны данные контрольного эксперимента – другими словами, контрольная экспедиция, чтобы понять, где расположена та земля. Нейтринная обсерватория в Садбери (SNO) – это как раз то, что нам нужно. Основная идея заключается в разработке эксперимента, который смог бы обнаруживать нейтрино любого аромата, измеряя взаимодействие «нейтральных токов». Поясним, в этом взаимодействии вместо W-бозонов принимает участие Z-бозон. Поскольку последний не несет электрического заряда, то нейтрино разрушает ядро, но остается нейтрино. Не образуется ни электронов, ни мюонов, ни тау-лептонов. И только несколько адронов, осколков разбитого ядра, будут служить напоминанием о том, что на этом месте было раньше.

Обнаружение этих адронов требовало создания детекторов с беспрецедентной чувствительностью. Чтобы с уверенностью обнаруживать крошечный сигнал от разломанного ядра, вся остальная посторонняя радиоактивность должна быть максимально устранена, до самого мизерного уровня, и точно измерена. Для этой цели группа SNO воспользовалось 1 тысяч тонн тяжелой воды из канадской ядерной энергетической программы.

Тяжелая вода похожа на обычную воду – два атома водорода связаны с атомом кислорода, – но один или оба атома водорода заменены тяжелым изотопом водорода, дейтерием, у которого в ядре один нейтрон и один протон, в отличие от нормального водорода с одним протоном в ядре. Такая замена водорода на дейтерий делает воду на 5 или 10 % тяжелее обычной воды. Во всем остальном это обычная вода. Вы можете в ней поплавать или даже глотнуть ее, хотя эксперименты на мышах показывают, что более 20 % тяжелой воды в вашем питье – это уже очень плохо, а более 50 % – вероятно, смертельно. Тяжелая вода, используемая в SNO, хранится в акриловом сосуде в окружении обычной воды и тщательно наблюдается с помощью высокочувствительных фотонных детекторов.

При взаимодействиях с участием нейтрино в SNO могут происходить три вещи. Во-первых, нейтрино могут преобразовывать нейтрон в протон – это взаимодействие «заряженных токов» – и порождать электрон. В этом процессе могут участвовать только электронные нейтрино. Другой вариант – нейтроны могут развалить ядро дейтерия на нейтрон и протон, и эта реакция носит название взаимодействия нейтральных токов. Такой процесс возможен вне зависимости от аромата нейтрино – и электронное, и мюонное, и тау-нейтрино могут в нем участвовать. Наконец, нейтрино могут рассеиваться на электроне путем взаимодействия нейтральных токов; опять-таки, все ароматы нейтрино способны это делать, хотя электронные нейтрино примерно в шесть раз чаще, чем остальные два аромата.

Различные виды столкновений оставляют разные следы в детекторах. Оценка темпа нейтрально-токового взаимодействия показала физикам SNO общее число приходящих от Солнца нейтрино, вне зависимости от того, происходили осцилляции между ароматами или нет. Темп зарядово-токового взаимодействия электронных нейтрино показал, сколько электронных нейтрино прибывает на Землю. Очевидно, разница между результатами этих двух измерений и покажет, сколько нейтрино сменили аромат на пути от Солнца к Земле.

Результат оказался впечатляющим. Общее число нейтрино, прибывающих на Землю от Солнца, соответствовало нашим ожиданиям. С Солнцем все было в порядке. Мы правильно понимаем, как протекают на Солнце управляющие им реакции синтеза. Просто количество электронных нейтрино слишком мало. Ранние, чрезвычайно трудоемкие эксперименты Дэвиса и других ученых подтвердились с очень высокой точностью. Но стандартную модель нужно было менять – ведь нейтрино определенно способны менять ароматы на пути от Солнца к Земле. Следовательно, нейтрино обладают массой.

В то время как команда SNO раз и навсегда решила проблему солнечных нейтрино, другой эксперимент, поставленный при помощи японского детектора «Супер-Камиоканде», уже совершил марш-бросок в нейтринные пустоши острова Лептонов и показал, что нейтрино обладают массой.

Эксперимент на «Супер-Камиоканде» проводился в подземном бассейне, заполненном 50 000 тонн очищенной воды и окруженном фотонными детекторами. Ключевым было измерение мюонных нейтрино. Последние образуются, когда частицы с высокими энергиями попадают в верхние слои атмосферы Земли. Частицы приходят со всех сторон – и нейтрино будут проходить через атмосферу со всех сторон и будут даже проходить сквозь Землю. Таким образом, в тихий подземный бассейн под японской горой нейтрино, как ожидается, должны подбираться одинаково отовсюду… А они так не делают. «Супер-Камиоканде» показал, что снизу прибыло в половину меньше нейтрино, чем сверху, а это указывало на то, что часть их превратилась в тау-нейтрино, к которым установка нечувствительна. Последующий детальный анализ углового распределения подтвердил это.

Результаты эксперимента показали, что нейтрино обладает массой. А эксперимент SNO, измерив изменение аромата электронного нейтрино, показал, что наличие массы у нейтрино решает проблему солнечных нейтрино. Учитывая трудности с попаданием в Нейтринный сектор острова Лептонов, проведенные исследования стали необычным прогрессом в этой области. Так состоялось первое – и пока единственное – фундаментальное изменение стандартной модели с момента ее формулировки. А значит, просторы нейтрино более сложны и интересны, чем мы думали, и для их изучения потребуется куда больше усилий, чем мы ожидали.