Нейтрино требуют терпения. Они того стоят, и присуждение Нобелевской премии по физике это подтверждает. Так же, как и связанные премии 1988, 1995 и 2002 года. По иронии судьбы, эти почти неуловимые частицы могут раскрыть вещи, которые никак больше не увидеть. Можно было бы начать с рассказа о том, что нейтрино — это элементарные частицы, но это плохое начало. Они называются элементарными не потому, что их легко понять, — очень нелегко, — а потому, что они кажутся совершенно точечными в своих размерах, и мы не можем разбить их на меньшие составляющие.
Просто не существует такой вещи, как половина нейтрино. Это мельчайший элемент во Вселенной.
Атомы, несмотря на свое греческое название («неделимые»), элементарными частицами не являются, поскольку их можно разобрать. Атом представлен облачком электронов, окружающих крошечные плотные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, которые также можно разбить на верхние и нижние кварки.
Ускорители частиц, которые разгоняют их до околосветовой скорости и сталкивают вместе, помогают нам открывать новые элементарные частицы. Во-первых, из-за принципа E = mc^2, энергию столкновения можно преобразовать в массу частиц. Во-вторых, чем выше энергия пучка ускорителя, тем более точно мы можем разобрать составные структуры, подобно тому, как с помощью рентгеновских лучей мы видим вещи меньше, чем с помощью видимого света.
Мы не смогли разобрать электроны или кварки.
Это элементарные частицы, образующие основные составляющие обычной материи: кирпичики «Лего» нашей Вселенной. Что примечательно, есть много тяжелых собратьев известных частиц, которые существуют лишь доли секунды и не являются частью обычной материи. Для электронов это мюон и тау.
Что такое нейтрино?
Чем эти элементарные частицы — нейтрино — отличаются от всех других элементарных частиц? Они уникальны тем, что одновременно почти безмассовы и почти ни с чем не взаимодействуют. Эти особенности хотя и отличаются, нередко объединяются.
Загадка заключается в том, почему нейтрино хотя и почти, но не совсем безмассовы. Почему они почти ни с чем не взаимодействуют, мы знаем: они не чувствуют электромагнитных или сильных взаимодействий, которые удерживают ядра и атомы, только слабое взаимодействие (и гравитацию, хотя и слабо, ввиду малых масс).
Хотя нейтрино не входят в состав обычной материи, они повсюду вокруг нас — триллионы нейтрино от Солнца проходят через ваши глаза каждую секунду. Сотни их на каждый кубический сантиметр остались после Большого Взрыва. Поскольку нейтрино взаимодействуют так редко, почти невозможно их наблюдать, и вы точно их не почувствуете.
У нейтрино есть и другие странные аспекты. Они бывают трех типов, ароматов — электронное, мюонное и тау-нейтрино, соответствующих трем заряженными частицам, с которыми они в парах — и все они кажутся стабильными, в отличие от старших собратьев электрона.
Поскольку три аромата нейтрино практически идентичны, есть теоретическая возможность, что они могут трансформироваться друг в друга, что является еще одним необычным аспектом таких частиц, который, в принципе, может привести нас к новой физике.
Это преобразование требует трех вещей: чтобы масса нейтрино была ненулевой, различной для разных типов, и чтобы нейтрино определенного аромата были квантовыми комбинациями нейтрино определенной массы (это называется «смешиванием нейтрино»).
В течение многих десятилетий в целом ожидалось, что ни одно из этих условий не будет выполнено. Хотя надежда никогда не умирала.
Астрономия невидимых частиц
В конце концов, природа предоставила необходимые условия, и экспериментаторы обнаружили все, что нужно, при поддержке расчетов теоретиков. Потребовались десятилетия экспериментов и невероятные усилия, пока в 1998 году эксперимент Супер-Камиоканде в Японии не объявил о нахождении доказательств того, что мюонные нейтрино, произведенные в атмосфере Земли, меняют свой тип (как думают, в тау-нейтрино).
Доказательство того, что это происходит с нейтрино, пришли «снизу», пройдя длинное расстояние через Землю, но не «сверху», когда нейтрино прошли короткое расстояние через атмосферу. Поскольку поток нейтрино (почти) одинаков в разных местах на Земле, это позволило провести измерения «до» и «после».
В 2001 и 2002 году нейтринная обсерватория Садбери в Канаде предоставила убедительные доказательства того, что электронные нейтрино, производимые в ядре Солнца, также меняют аромат. На этот раз доказательство проявилось в том, что электронные нейтрино исчезли, а затем появились в других типах (как думают, в виде смеси мюонных и тау-нейтрино).
Каждый из таких экспериментов наблюдал в два раза меньше нейтрино, чем ожидалось по теоретическим предсказаниям. Вполне справедливо, что Такааки Кадзита и Артур Макдональд разделили Нобелевскую премию пополам.
В обоих случаях квантово-механические эффекты, которые обычно работают только на микроскопических расстояниях, наблюдались в наземных и астрономических масштабах расстояний.
Как было заявлено на обложке The New York Times в 1998 году, «Массовое обнаружение неуловимой частицы: Вселенная может никогда не стать прежней».
Явные признаки изменений аромата нейтрино, подтвержденные и подробно изученные в лаборатории, показывают, что нейтрино обладают массой и эти массы различны для разных типов нейтрино. Интересно то, что мы пока не знаем, какими значениями обладают эти массы, хотя другие эксперименты показывают, что они должны быть в миллионы раз меньше массы электрона или, возможно, еще меньше.
Это заголовок. Остальная часть истории заключается в том, что смешивание различных ароматов нейтрино происходит повсеместно. Вы можете решить, что когда прогнозы не оправдываются, — это плохо, но этот тип неудачи вполне неплох, поскольку мы узнаем что-то новое.
Международное общество охотников за нейтрино
Сообщество физиков, изучающих нейтрино, в целом приветствует присуждение Нобелевской премии Такааки и Артуру. Также было бы неплохо отметить ряд других людей, экспериментаторов и теоретиков, которые внесли свой вклад в изучение нейтрино.
Потребовалось много лет, чтобы соорудить и провести эти эксперименты, которые сами по себе базировались на медленной, трудной и в значительной степени неблагодарной работе, проводимой в течение десятков лет, требующей усилий сотен людей. Сюда входит значительный вклад США в Супер-Камиоканде и нейтринную обсерваторию Садбери.
«Когда я впервые начал работать над нейтрино, более 20 лет назад, многие люди, в том числе и видные ученые, говорили, что я теряю время. Позднее другие призвали меня работать над чем-то еще, потому что «люди, работающие над нейтрино, останутся без работы», — говорит Джон Биком, профессор физики и астрономии Национального университета Огайо.
Даже сейчас многие физики и астрономы считают, что эти ученые гоняются за чем-то воображаемым.
«Но это не так. Нейтрино реальны. Они являются неотъемлемой частью физики, проливающей свет на происхождение частиц, асимметрию частиц и античастиц во Вселенной и, возможно, на существование новых сил, которые слишком слабы, чтобы увязать их с другими частицами».
Они являются неотъемлемой частью астрономии, выявляющей высокоэнергетические ускорители во Вселенной, которые находятся внутри самых плотных звезд и, возможно, новых и пока не обнаруженных астрофизических объектов.
Крошечные частицы, большие загадки
Почему мы должны особо переживать об этом, почему должны выходить за рамки нашего любопытства, которое движет нашей жаждой изучения странных деталей Вселенной?
Слабая сила, которую чувствуют нейтрино, отвечает за переход от протонов к нейтронам, питание реакций ядерного синтеза в Солнце и других звезд и создание элементов, которые делают планеты и жизнь сами по себе возможными.
Нейтрино являются единственным компонентом этой темной материи, который мы понимаем, и изучение остальных ее аспектов позволят нам понять структуру и эволюцию Вселенной в целом.
Если бы массы нейтрино были больше, Вселенная выглядела бы совершенно иначе, и, возможно, нас бы тут не было.
Наконец, если вы особенно прагматичны, физика и астрофизика нейтрино — очень сложная работа, требующая от нас изобретения невероятно чувствительных детекторов и технологий. У этого знания есть и другие применения; к примеру, используя детектор нейтрино, мы могли бы сказать, работает ли ядерный реактор, какова его выходная мощность и даже производит ли он плутоний. Этому вполне можно найти применение в реальном мире.
Прошедшие десятилетия в физике и астрономии нейтрино были захватывающими, но еще более невероятным вещам еще только предстоит случиться. Нейтринная обсерватория IceCube на Южном Полюсе ищет высокоэнергетические нейтрино, рождающиеся за пределами нашей галактики.
Супер-Камиоканде раскрыл план по улучшению своей чувствительности к антинейтрино, по сравнению с нейтрино. Международное сообщество планирует построить новую нейтринную фабрику, в которой мощные пучки нейтрино будут отправляться из Лаборатории Ферми в Иллинойсе в детектор в шахте Хоумстейк в Южной Дакоте. Кто знает, что еще мы найдем?
Этого мы все очень и очень ждем.
