XXV. Бесплодные земли Нейтрино

Итак, давайте-ка покинем здание крошечного аэропорта, где мы приземлились, и отправимся исследовать сектор Нейтрино пешком. Тот факт, что нейтрино обладают разными массами и смешиваются, означает, что действительно можно построить матрицу смешивания и для лептонов, по аналогии с тем, как мы это делали для кварков. Продолжая аналогию с кварками, мы можем ожидать, что аэропорты на острове Лептонов тоже окажутся в какой-то степени вытеснены за пределы городской черты. Помните, как чуть в стороне от городов находились аэропорты штрих-Нижний, штрих-Странный и штрих-Прелестный? Но в этом случае картина совсем другая. На острове Кварков две разные версии нижнего кварка – со штрихом и без – расположены поблизости; очевидно, что они друг другу совсем не чужды. А для нейтрино матрица смешивания совсем другая. Чтобы объяснить наблюдения, смешивание должно быть гораздо больше, чем на острове Кварков.

Единственный способ понять Нейтринный сектор – исследовать его с воздуха. Слабое взаимодействие связывает три аэропорта: Электронное Нейтрино, Мюонное Нейтрино и Тау-Нейтрино. SNO и «Супер-Камиоканде» – и последовавшие за ними другие эксперименты на ускорителях и реакторах – выявили, что это далеко не полный список аэропортов в этих землях. Здесь есть и города, и аэропорты их обслуживают. Это разновидности нейтрино с определенной массой. Но слабое взаимодействие, похоже, запускает бюджетные авиалинии и в Нейтринном секторе. Города расположены на больших расстояниях, в нескольких километрах от аэропортов. Фактически, мы даже толком не знаем, где они вообще находятся. А это не слишком-то удовлетворительное положение дел.

Однако у нас есть интересное предложение. Помните, матрица смешивания для кварков нарушает комбинированную симметрию зарядовой сопряженности и четности, следствием чего являются реальные различия между северным и южным полушариями на нашей карте, то есть между веществом и антивеществом? Введем эту возможность и в матрицы для нейтрино.

В случае кварков этот эффект может быть измерен. Изучать нейтрино сложнее, потому что они взаимодействуют слишком редко, и этот аспект матрицы смешивания до сих пор еще не измерен. Если окажется, что эффект большой, то это сможет помочь объяснить, почему Вселенная состоит в основном из вещества, а не из антивещества.

Наши исследования Нейтринного сектора на острове Лептонов были очень плодотворными, но мы можем сделать больше. Кроме нас есть и другие исследователи, которые борются с дикой природой, пытаясь установить, являются ли нейтрино такими же частицами, как и все другие лептоны, и применимо ли к ним уравнение Дирака, или же эти частицы пляшут под собственную дудку.

Нейтрино обладают поразительными возможностями, открытыми только для них и недоступными для всех других частиц. Нейтрино может быть своей собственной античастицей. Возможно, на острове Лептонов мы ошиблись. Пустоши Нейтринного сектора могут простираться вплоть до самого экватора, мы до сих пор этого не знаем наверняка, но пытаемся выяснить. Вещество и антивещество очень похожи, только противоположны все «заряды» – квантовые числа, определяющие, как частицы ведут себя в разных типах взаимодействий. Так, электрон отрицательно заряжен, а его античастица, позитрон, заряжена положительно и, следовательно, явно отличается от электрона. Аналогично для кварка, несущего «цветовой» заряд (назовем его «синий»), соответствующий антикварк будет нести противоположный заряд – «антисиний» (или желтый, если вы хотите придерживаться гаммы реальных цветов).

Прежде чем нам открылось, что нейтрино обладают массой, мы знали, что они не подвержены действию ни электромагнитного, ни сильного взаимодействий. И даже слабое взаимодействие действует только на левосторонее нейтрино. Когда считалось, что нейтрино имеет нулевую массу, стандартная модель содержала только левосторонние нейтрино. Но теперь нам известно, что нейтрино обладает массой, и вышеприведенные выводы перестают быть верными. Наличие массы подразумевает, что должны существовать и правые нейтрино, смешанные с левыми. Эти правые нейтрино имеют нулевой заряд по отношению ко всем взаимодействиям – у них нет ни электрического заряда, ни цветового для сильного взаимодействия, ни слабого заряда. Таким образом, обращение заряда не имеет значения – «–0» и «+0» суть одно и то же. То есть существует возможность – и многие теоретики считают ее вероятность достаточно высокой, – что правостороннее нейтрино и левостороннее антинейтрино есть одна и та же частица, но с перевернутой спиральностью.

Такой тип частицы проявлялся бы в уравнениях физики иначе, чем кварки и другие лептоны; особенно выделялся бы способ представления массы. В настоящее время Нейтринный сектор исследуют на предмет существования такой гипотетической частицы. Поиск фокусируется на некоторых очень редких и специальных ядерных распадах, которые, если будут наблюдаться, будут иметь огромное значение для физики и космологии.

Искомый редкий распад – «безнейтринный двойной бета-распад». С бета-распадом мы уже сталкивались. Это процесс, в котором нейтрон превращается в протон или протон становится нейтроном внутри атомного ядра, меняя атомный номер на «+1» или «–1» соответственно. Этот процесс впервые наблюдался в конце XIX века, и испускаемые бета-частицы теперь известны как электрон и позитрон соответственно в первом и во втором случае.

Помните, именно бета-распад дал нам первые указания на существование нейтрино. Излучение нейтрино, даже если оно не наблюдается, позволяет излучаемым электрону или позитрону обладать целым спектром энергий, а не только какой-то фиксированной величиной, измеряемой в экспериментах.

Как следует из названия, при двойном бета-распаде одновременно преобразуются два нейтрона или два протона, излучаются, соответственно, два электрона или позитрона, а также два нейтрино. Это выглядит маловероятно, однако для некоторых ядер энергетический баланс таков, что это единственно возможный канал их распада. Процесс, конечно, очень редкий, но его уже наблюдали и измерили в нескольких разных изотопах.

Существование ядер, подвергающихся двойному бета-распаду, открывает новые захватывающие возможности. Процесс испускания частицы – во многих смыслах то же самое, что поглощение античастицы. Следовательно, если нейтрино может смешиваться со своей античастицей, то один и тот же нейтрино может быть и поглощен, и испущен при двойном бета-распаде. А это означает, что в целом нет входящих и исходящих нейтрино. Это и есть безнейтринный двойной бета-распад.

В рассматриваемом случае пара электронов несла бы фиксированную энергию распада – точно так же, как электрон в единичном бета-распаде имел бы фиксированную энергию, если бы не излучалось никаких нейтрино.

Если бы наблюдался безнейтринный двойной бета-распад, то это показало бы, что нейтрино – по крайней мере, частично – является своей собственной античастицей, потому что он должен излучаться как частица при бета-распаде нейтрона, а поглощаться другими уже как античастица. Такое поведение сделало бы его принципиально другим объектом, отличным от всех других частиц стандартной модели. Такой вывод может привести к пониманию того, почему массы нейтрино так ничтожно малы. Кроме того, нейтрино может стать еще одним источником нарушения комбинированной симметрии зарядового сопряжения и четности, что поможет объяснить, почему Вселенная содержит гораздо больше вещества, чем антивещества.

Все это, безусловно, даст нам некоторые важные ориентиры для местности, что лежит на дальнем востоке, за пределами нашей нынешней карты. Задача экспериментов по поиску редких распадов заключается в том, чтобы, насколько это возможно, устранить шумы от естественного фонового излучения. Каждый компонент должен быть проверен на наличие следов естественной радиоактивности (преимущественно урана и тория) с помощью специальных приборов.

Конструкция детектора должна быть выполнена в тщательно контролируемой чистой среде, с целью избежать загрязнений при сборке. Неудивительно, что создание такого инструмента занимает много времени. После сборки инструмент должен быть установлен глубоко под землей и должен наблюдаться в течение долгого времени. Прямо сейчас несколько групп исследователей конструируют такие приборы и проводят на них эксперименты.

Мы узнали гораздо больше, чем ожидали, изучая Нейтринный сектор. Мы узнали, что эти земли заставляют значительно измениться стандартную модель. Кроме того, здесь, возможно, таится разгадка процессов, происходящих далеко на востоке, при энергиях далеко за пределами наших текущих возможностей. Мы узнали, что здесь скрывается возможный источник асимметрии вещества и антивещества.

Путешествия в глубь Нейтринного сектора с целью исследований и открытий продолжаются. Не может Нейтринный сектор долго оставаться нетронутой пустошью. Но это планы на будущее… Что уготовано нашей исследовательской группе прямо сейчас – дальний рейс на восток до одного из авиаузлов. Нашего внимания ждет земля Бозония, родина W– и Z-бозона, родина фотона и глюона. И нам предстоит раскрыть тайну, лежащую в самом ее центре.