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

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.