Нейтрино, невероятно крошечная частица Вселенной, удерживает пристальное внимание ученых уже без малого столетие. За исследования нейтрино вручили больше Нобелевских премий, чем за работы о каких-либо других частицах, а для его изучения строят огромные установки с бюджетом небольших государств. Александр Нозик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, преподаватель МФТИ и участник эксперимента по поиску массы нейтрино «Троицк ню-масс», рассказывает, как его изучать, но главное — как вообще его поймать.

Загадка похищенной энергии

Александр Нозик
Александр Нозик

Историю изучения нейтрино можно читать как увлекательный детектив. Эта частица не раз испытывала дедуктивные способности ученых: не каждую из загадок удавалось решить сразу, а часть не раскрыта до сих пор. Начать хотя бы с истории открытия. Радиоактивные распады разного рода начали изучать еще в конце XIX века, и неудивительно, что в 1920-х годах ученые имели в своем арсенале приборы не только для регистрации самого распада, но и для измерения энергии вылетающих частиц, пусть и не особо точного по сегодняшним меркам. С увеличением точности приборов росла и радость ученых, и недоумение, связанное в том числе с бета-распадом, при котором из радиоактивного ядра вылетает электрон, а само ядро изменяет свой заряд. Такой распад называют двухчастичным, поскольку в нем образуются две частицы — новое ядро и электрон. Любой старшеклассник объяснит, что можно точно определить в таком распаде энергию и импульсы осколков, используя законы сохранения и зная массы этих осколков. Другими словами, энергия, например, электрона всегда будет одной и той же в любом распаде ядра определенного элемента. На практике же наблюдалась совсем другая картина. Энергия электронов не только не была фиксированной, но и размазывалась в непрерывный спектр до самого нуля, что ставило ученых в тупик. Такое может быть только в случае, если кто-то крадет энергию из бета-распада. Но красть-то ее вроде бы некому.

Со временем приборы становились все точнее, и вскоре возможность списать подобную аномалию на погрешность аппаратуры пропала. Так появилась загадка. В поисках ее разгадки ученые высказывали разнообразные, даже совершенно абсурдные по нынешним меркам предположения. Сам Нильс Бор, например, делал серьезное заявление, что законы сохранения не действуют в мире элементарных частиц. Спас положение Вольфганг Паули в 1930 году. Он не смог приехать на конференцию физиков в Тюбингене и, не имея возможности участвовать дистанционно, прислал письмо, которое попросил зачитать. Вот выдержки из него:

Вольфганг Паули
Вольфганг Паули

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при Β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна…»

В финале письма были следующие строки:

«Не рисковать — не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного Β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Позже сам Паули высказывал опасения, что, хотя его идея и спасает физику микромира, новая частица так никогда и не будет открыта экспериментально. Говорят, он даже спорил со своими коллегами, что, если частица есть, обнаружить ее при их жизни не удастся. В последующие несколько лет Энрико Ферми создал теорию бета-распада с участием частицы, названной им нейтрино, которая блестящим образом согласовалась с экспериментом. После этого ни у кого не осталось сомнений в том, что гипотетическая частица существует на самом деле. В 1956 году, за два года до смерти Паули, нейтрино было экспериментально обнаружено в обратном бета-распаде группой Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (Райнес получил за это Нобелевскую премию).

Дело о пропавших солнечных нейтрино

Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник — Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 миллиардов солнечных нейтрино в секунду.

На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию). После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Тут-то и обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).

Разумеется, в первую очередь подозрение пало на само Солнце. Ведь судить о его внутренней жизни мы можем только по косвенным признакам. Неизвестно, как на нем рождаются нейтрино, и возможно даже, что все модели Солнца неправильные. Обсуждалось достаточно много различных гипотез, но в итоге ученые стали склоняться к мысли, что все-таки дело не в Солнце, а в хитрой природе самих нейтрино.

Небольшое историческое отступление: в период между экспериментальным открытием нейтрино и опытами по изучению солнечных нейтрино произошло еще несколько интересных открытий. Во-первых, были открыты антинейтрино и доказано, что нейтрино и антинейтрино по-разному участвуют во взаимодействиях. Причем все нейтрино во всех взаимодействиях всегда левые (проекция спина на направление движения отрицательна), а все антинейтрино — правые. Мало того что это свойство наблюдается среди всех элементарных частиц только у нейтрино, оно еще и косвенно указывает на то, что наша Вселенная в принципе не симметрична. Во-вторых, было обнаружено, что каждому заряженному лептону (электрону, мюону и тау-лептону) соответствует свой тип, или аромат, нейтрино. Причем нейтрино каждого типа взаимодействуют только со своим лептоном.

Вернемся к нашей солнечной проблеме. Еще в 50-х годах XX века было высказано предположение, что лептонный аромат (тип нейтрино) не обязан сохраняться. То есть если в одной реакции родилось электронное нейтрино, то по пути к другой реакции нейтрино может переодеться и добежать как мюонное. Этим можно было бы объяснить нехватку солнечных нейтрино в радиохимических экспериментах, чувствительных только к электронным нейтрино. Эта гипотеза была блестящим образом подтверждена при измерениях потока солнечных нейтрино в сцинтилляционных экспериментах с большой водной мишенью SNO и Kamiokande (за что недавно вручили еще одну Нобелевскую премию). В этих экспериментах изучается уже не обратный бета-распад, а реакция рассеяния нейтрино, которая может происходить не только с электронными, но и с мюонными нейтрино. Когда вместо потока электронных нейтрино стали измерять полный поток всех типов нейтрино, результаты прекрасно подтвердили переход нейтрино из одного типа в другой, или нейтринные осцилляции.

Покушение на Стандартную модель

Открытие осцилляций нейтрино, решив одну проблему, создало несколько новых. Суть в том, что еще со времен Паули нейтрино считались безмассовыми частицами подобно фотонам, и это всех устраивало. Попытки измерить массу нейтрино продолжались, но без особого энтузиазма. Осцилляции все изменили, поскольку для их существования масса, пусть и маленькая, обязательна. Обнаружение массы у нейтрино, разумеется, привело экспериментаторов в восторг, но озадачило теоретиков. Во-первых, массивные нейтрино не вписываются в Стандартную модель физики элементарных частиц, которую ученые строили еще с начала XX века. Во-вторых, та самая загадочная левосторонность нейтрино и правосторонность антинейтрино хорошо объясняется только опять-таки для безмассовых частиц. При наличии массы левые нейтрино должны с некоторой вероятностью переходить в правые, то есть в античастицы, нарушая, казалось бы, незыблемый закон сохранения лептонного числа, или вовсе превращаться в какие-то нейтрино, не участвующие во взаимодействии. Сегодня такие гипотетические частицы принято называть стерильными нейтрино.

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде» © Kamiok...

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде» © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Разумеется, экспериментальные поиски массы нейтрино тут же резко возобновились. Но сразу возник вопрос: как же измерить массу того, что никак не удается поймать? Ответ один: не ловить нейтрино вообще. На сегодняшний день наиболее активно разрабатываются два направления — прямой поиск массы нейтрино в бета-распаде и наблюдение безнейтринного двойного бета-распада. В первом случае идея очень проста. Ядро распадается с излучением электрона и нейтрино. Нейтрино поймать не удается, но поймать и измерить с очень большой точностью возможно электрон. Спектр электронов несет информацию и о массе нейтрино. Такой эксперимент — один из самых сложных в физике частиц, но при этом его безусловный плюс в том, что он основан на базовых принципах сохранения энергии и импульса и его результат мало от чего зависит. Сейчас самое лучшее ограничение на массу нейтрино составляет около 2 эВ. Это в 250 тысяч раз меньше, чем у электрона. То есть саму массу не нашли, а только ограничили верхней рамкой.

С двойным бета-распадом все сложнее. Если предположить, что нейтрино при перевороте спина превращается в антинейтрино (такую модель называют по имени итальянского физика Этторе Майорана), то возможен процесс, когда в ядре происходят одновременно два бета-распада, но нейтрино при этом не вылетают, а сокращаются. Вероятность такого процесса связана с массой нейтрино. Верхние границы в подобных экспериментах лучше — 0,2‒0,4 эВ, — но зависят от физической модели.

Бозон Хиггса здесь не поможет

Проблема массивного нейтрино не решена до сих пор. Теория Хиггса не может объяснить настолько маленькие массы. Требуется ее существенное усложнение или привлечение каких-то более хитрых законов, по которым нейтрино взаимодействуют c остальным миром. Физикам, занимающимся исследованием нейтрино, часто задают вопрос: «А как исследование нейтрино может помочь среднестатистическому обывателю? Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения. Разница в том, что технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что каждая вложенная в эту сферу копейка довольно быстро окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера; эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.

Не пропустите следующую лекцию: