Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Более полувека назад Бруно Понтекорво сделал два важнейших предположения, которые стали ключевыми для разгадки тайны солнечных нейтрино. Во-первых, он понял, что в природе существует не один, а несколько типов нейтрино. Он пришел к такому выводу, наблюдая за распадом мюона – нестабильной элементарной частицы, относящейся к семейству лептонов (к этому же семейству принадлежат электрон и нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и, по сути, являются первокирпичиками материи. Кроме того, мюон имеет отрицательный заряд и существует всего лишь около двух миллионных долей секунды, после чего распадается. Понтекорво предположил, что с мюоном и электроном связаны разные типы нейтрино.

Трое физиков из Колумбийского университета – Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер – подтвердили существование двух типов нейтрино, поставив соответствующие эксперименты на ускорителе частиц в 1962 г., и тем самым доказали верность догадок Понтекорво. Вскоре Мартин Перл и его коллеги из Стэнфордского университета идентифицировали третью, еще более массивную частицу, относящуюся к семейству лептонов, и назвали ее тау-частицей. Исследователи предположили, что должен существовать и третий тип нейтрино, связанный с тау-частицами. Типы нейтрино стали именоваться образным термином «ароматы».

Второе озарение Понтекорво заключалось в том, что нейтрино могут быть изменчивыми. Он обнаружил, что законы квантовой механики позволяют нейтрино превращаться из одного типа в другой – «осциллировать». Но это было возможно лишь при условии, что нейтрино обладают ненулевой массой. Понтекорво осознал, что масса нейтрино может оказаться минимальной, даже в тысячи раз меньше, чем у электрона – но нулевой все-таки быть не может. Кроме того, он знал, что при ядерных реакциях на Солнце образуются нейтрино лишь одного аромата – электронные нейтрино – и что лишь этот сорт нейтрино позволяет обнаружить эксперимент с хлорсодержащей жидкостью, поставленный Дэвисом. Вскоре после того, как в 1968 г. Дэвис впервые сообщил о дефиците солнечных нейтрино, Бруно Понтекорво и его советский коллега Владимир Наумович Грибов предположили, что по пути от Солнца на Землю нейтрино могут превращаться из одного сорта в другой – этим и объясняется их недостача, наблюдаемая в ходе экспериментов. Понтекорво и Грибов провели аналогию: «представьте, если бы шоколадное мороженое превращалось в ванильное». При всей странности выдвинутой ими теории, такая трактовка давала простое и красивое объяснение дефициту солнечных нейтрино: две трети электронных нейтрино, образующихся на Солнце, могут по пути к Земле сменить аромат и таким образом ускользнуть от наблюдений.

Подобная гипотеза представляется вполне оправданной в зыбком мире квантовой механики, где определенность уступает место вероятности. В квантовой механике частица может описываться и как волна, длина которой зависит от скорости и массы частицы. С математической точки зрения речь идет о «волновой функции», описывающей каждый из ароматов нейтрино. Если нейтрино всех трех ароматов обладают разными массами, то для каждого из ароматов нейтрино должна быть характерна своя длина волны. В сущности, можно сказать, что каждый нейтрино является гибридом всех трех ароматов. Продолжая аналогию с мороженым, можно сказать, что такое мороженое состоит сразу из трех начинок – шоколадной, ванильной и клубничной.

Как осциллируют нейтрино. (Reproduced with permission. Copyright © 2003 by Scientific American, Inc. All rights reserved.)

Пока нейтрино летит через космическое пространство, волны, соответствующие различным ароматам, распространяются с разной скоростью. По пути эти волны накладываются друг на друга, поэтому в различных точках пространства мы получим разные комбинации ароматов. Иногда будет наблюдаться выраженный аромат шоколада, тогда как в других случаях этот аромат сменится на ванильный или клубничный. Итак, частица, которая в момент возникновения являлась электронным нейтрино, может преодолеть некоторое расстояние и приобрести свойства тау-нейтрино. Именно так, по версии Понтекорво и Грибова, нейтрино могут изменяться на пути от Солнца к Земле.

Сложность заключалась в том, что их гипотеза противоречила общепризнанному убеждению, сложившемуся в научном сообществе: большинство физиков считали, что нейтрино не имеют массы и движутся со скоростью света – точно как фотоны, которые лишены массы. Если бы нейтрино действительно обладали такими свойствами, то не могли бы менять ароматы. На самом деле стандартная модель физики частиц, сформулированная в 1970-е гг. и получившая множество экспериментальных подтверждений, постулирует, что масса нейтрино равна нулю. Учитывая, каких впечатляющих успехов в описании субатомного мира позволила достичь стандартная модель, не многие физики были готовы отвергнуть ее положения относительно нейтрино и согласиться с радикальным предположением Понтекорво.

Однако настрой ученых стал меняться, когда трое физиков-теоретиков, занимаясь вычислениями, обнаружили любопытный эффект. Советские физики Станислав Павлович Михеев и Алексей Юрьевич Смирнов, опираясь на гипотезу американского физика Линкольна Вольфенштейна, пришли к выводу, что нейтрино должны гораздо активнее осциллировать в веществе, чем в вакууме. Таким образом, если сразу после возникновения в солнечном ядре нейтрино обладают умеренной изменчивостью, то к тому моменту, как такая частица достигнет поверхности Солнца, она уже должна осциллировать в бешеном темпе. Этот феномен получил название «эффект МСВ» – по инициалам своих первооткрывателей. Многие физики сочли его математическое описание весьма интересным. Джон Бакал признался одному журналисту: «Идея эффекта МСВ очень красивая. Мне кажется, что если бы природа действительно не использовала такую возможность, то это была бы некая космическая ошибка».

Но одни лишь теоретические рассуждения не могли убедить физиков в правоте Понтекорво относительно осцилляций нейтрино. Поэтому многие исследователи восторженно отнеслись к первым экспериментальным доказательствам переходов нейтрино из одного аромата в другой, полученным в 1990-е гг. К тому времени японские охотников за нейтрино усовершенствовали свой детектор, который теперь назывался Super-Kamiokande, или Super-K. Новый прибор стал гораздо чувствительнее, чем исходный детектор Kamiokande. Детектор Super-K, как и более ранние модели, мог регистрировать не только солнечные нейтрино, но и такие, которые образуются в верхних слоях земной атмосферы под действием космических лучей. Так называемые «атмосферные нейтрино» обладают в сотни и даже в тысячи раз большей энергией, чем солнечные. Соответственно, отловить атмосферные нейтрино значительно проще. По оценке ученых, мюонные нейтрино должны образовываться при контакте с космическими лучами вдвое чаще, чем электронные нейтрино. К счастью, детектор Super-K может отличать нейтрино двух этих типов дуг от друга: электронный нейтрино, попадающий в воду, оставляет зыбкий круг света, тогда как подобный круг от взаимодействия с мюонным нейтрино очень четкий. Группа исследователей, наблюдавшая оба сорта нейтрино в Super-K на протяжении почти двух лет, обнародовала неожиданный результат: никакого двукратного перевеса мюонных нейтрино над электронными не наблюдалось, оба эти сорта нейтрино встречались в приблизительно равных пропорциях. Одно из возможных объяснений этого феномена, заключили ученые, таково: возможно, половина мюонных нейтрино переходит в третий аромат, тау-нейтрино. Обнаружить же тау-нейтрино в Super-K было не так просто.