Охота за нейтрино продолжается
В 2009 году на экраны вышел фильм-катастрофа режиссёра Роланда Эммериха «2012», посвящённый второму всемирному потопу и, соответственно, концу света. Фильм сделан талантливо, и катастрофы 2012 года показаны весьма убедительно и даже наукообразно — за исключением одной-единственной маленькой детали.
Солнечные нейтрино, объявленные в фильме основными виновниками мощных тектонических сдвигов, повлёкших за собой гибель земной цивилизации, никак не могли натворить подобных бед. Просто-напросто потому, что это самые проникающие элементарные частицы во Вселенной. Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с материей, и наш земной шар для них значительно более прозрачен, чем оконное стекло для установленного напротив тысячеваттного прожектора. С самого момента их теоретического предсказания в 1930 году и по сей день нейтрино будоражат умы учёных, а всякое серьёзное событие в их исследовании вызывает глубокий, но не всегда однозначный интерес Нобелевского комитета.
Настоящий детектив
Итальянец Бруно Понтекорво, известнейший в 50-60-х годах XX века физик-ядерщик, предпочёл работу в подмосковной Дубне престижным постам в Женеве (ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований) и Ливерпуле. А всё потому, что именно в Дубне располагался самый мощный в то время протонный ускоритель, а стало быть, и самые лучшие условия для экспериментального обнаружения нейтрино. В 1950 году с женой и тремя детьми Понтекорво эмигрировал в Советский Союз, где и прожил всю свою жизнь.
Судьба другого итальянского физика, Этторе Майораны, работавшего над теорией нейтрино, ещё более романтична. В 30 лет он сформулировал основные положения теории, а через год самым таинственным образом исчез. Последний раз его видели в марте 1938 года покупающим билет на пароход из Палермо в Неаполь. Но в Неаполе учёный так и не появился, никаких сообщений о несчастных случаях на море не поступало, и тело физика не было найдено.
Нейтрино было впервые экспериментально обнаружено в 1956 году американцами Клайдом Коуэном и Фредериком Райнесом. Однако по неизвестным причинам Нобелевская премия за это открытие была вручена лишь 40 лет спустя. Получил её один Райнес, так как Коуэна в то время уже не было в живых. Однако же обо всём по порядку.
Немного истории
В 20-30-х годах прошлого века в ядерной физике возникла проблема, связанная с электронами, возникающими при бета-распаде. Наблюдаемые энергии этих электронов, или, правильнее сказать, их энергетический спектр не соответствовал основным положениям квантовой механики и, что гораздо хуже, нарушал закон сохранения энергии.
Проблема оказалась настолько серьёзной, что один из отцов-основателей ядерной физики Нильс Бор даже выступил в 1931 году с идеей «отмены всеобщности» этого закона.
К счастью, закон сохранения энергии, который, кстати сказать, является одним из фундаментальных постулатов мироздания, удалось спасти. Практически одновременно с Бором свои соображения по поводу странностей бета-распада предложил научному сообществу молодой швейцарский физик Вольфганг Паули. Он предположил, что часть энергии бета-распада уносится неизвестной доныне, электрически нейтральной и чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицей. А три года спустя другой молодой учёный, итальянец Энрико Ферми дал предсказанной Паули частице подходящее название — нейтрино (что в переводе с итальянского означает «нейтрончик», «маленький нейтрон»).
Далее началась неторопливая и обстоятельная разработка теорий нейтрино — и, разумеется, возникли размышления на тему, как доказать его существование экспериментально, как создать «ловушку» для этой невесомой и всепроникающей частицы.
Что касается теории нейтрино, то за 20 с лишним лет, прошедших с момента предсказания его существования, она оформилась в достаточно стройную систему представлений, которую физики называют стандартной моделью взаимодействий. Над нею и теорией нейтрино работали такие мировые знаменитости, как Ли Цзундао, Янг Цжэньнин, Абдус Салам и — независимо от них — наш Лев Ландау (все впоследствии нобелевские лауреаты).
К моменту первого экспериментального обнаружения в 1956 году в физике окончательно утвердилась точка зрения на нейтрино как на частицу электрически нейтральную, очень слабо взаимодействующую с веществом, а главное — лишённую массы и потому описываемую строго определёнными (дираковскими и вейлевскими) уравнениями движения. Забегая вперёд, скажем, что именно представление о нейтрино как о частице с нулевой массой привело в дальнейшем ко множеству недоумений и расхождений наблюдаемой действительности со стандартной моделью.
Ловушки для «нейтрончика»
Принято считать, что существует три типа нейтрино: электронное нейтрино (исторически первый открытый тип), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. До последнего времени считалось также, что их масса равна нулю, что у них нет соответствующих античастиц (то есть нейтрино является одновременно и собственной античастицей, антинейтрино) и что один тип нейтрино не может превращаться в другой.
Хотя у нас буквально «под боком» находится мощнейший источник нейтрино — Солнце, «поймать» хотя бы небольшое их количество из-за повышенной «проникаемости» этих частиц являлось (и является!) очень непростой научно-технической задачей.
Один из современных детекторов нейтрино, телескоп IceCube, расположен в Антарктиде подо льдом толщиной 1,5 километра. Поток нейтрино от Солнца чрезвычайно велик, и потому есть надежда, что хоть одно нейтрино из тысячи триллионов (!) всё же «встретится» с протоном молекулы антарктической воды и породит электрон или мюон высокой энергии. Новорождённая частица, в свою очередь, даст вспышку черенковского света, которую и зафиксируют сверхчувствительные приборы IceCube.
Другая мощная водяная «ловушка» нейтрино — канадская обсерватория в Садбери — расположена в никелевом руднике, на глубине двух километров под поверхностью земли (чем глубже — тем лучше: надёжнее «отсекаются» всякие иные, отличные от нейтрино, космические лучи.) Этот детектор нейтрино имеет совершенно футуристический вид: двойная сфера диаметром 12 метров. Внутри — тысяча тонн «тяжёлой» воды, снаружи — семь тысяч тонн воды обычной. Плюс 10 тысяч фотоумножителей для регистрации вспышек от взаимодействия отдельных нейтрино с дейтерием.
Назовём также подземную итальянскую лабораторию Gran Sasso, где работают и российские исследователи нейтрино, японский проект Super-Kamiokande и, конечно же, крупнейшие российские нейтринные обсерватории, расположенные в Баксанском ущелье Кавказа и глубинах озера Байкал.
А Нобелевскую премию по физике 2015 года получили канадец Артур Макдональд и японец Такааки Кадзита — «за открытие нейтринных осцилляции, показывающих, что нейтрино имеют массу». Поток солнечных нейтрино был к тому времени уже достаточно исследован, чтобы понять — что-то с ним не так. Количество нейтрино, фиксируемых детекторами, оказалось намного меньше расчётного. А оказалось, что нейтрино просто-напросто осциллируют — то есть по пути от Солнца до Земли превращаются из одного вида в другой. Электронные — в мюонные, мюонные — в тау-нейтрино. А это возможно только в том случае, если нейтрино всё же имеют массу — пусть совершенно ничтожную, в несколько тысяч раз меньше массы электрона, но всё же не нулевую.
Это значит, что стандартную модель придётся в очередной раз совершенствовать, дополнять и переделывать. А сложная для астрофизиков проблема наличия «тёмной массы» и «тёмной энергии» во Вселенной, возможно, имеет своё решение в виде суперлегких, но всё же массивных нейтрино.
Что же, сделан ещё один шаг к пониманию структуры мироздания, не менее важный, чем недавнее открытие гравитационных волн. И возможно, достижение голубой мечты физиков — создание единой теории поля, описывающей все четыре вида взаимодействия вещества (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного), — становится уже делом обозримого будущего.