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

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.

Самая интересная загадка оказалась связана с тем, откуда прибывают нейтрино. Космические лучи с равной интенсивностью бомбардируют всю земную атмосферу, поэтому количество столкновений этих лучей с атмосферными атомами также должно быть примерно равным в любой точке неба. Действительно, исследователи, работавшие с Super-K, зафиксировали практически одинаковые количества электронных нейтрино, приходящих и сверху (с неба), и снизу (с другой стороны земного шара). Однако в случае с мюонными нейтрино такое равенство не соблюдалось: лишь каждый третий мюонный нейтрино прилетал из-под земли, а все остальные нейтрино этого сорта «сыпались» с неба. Исследователи с Super-K предположили, что мюонные нейтрино каким-то образом исчезают, пролетая сквозь толщу земного шара. «Мы поняли: нет дыма без огня», – так образно охарактеризовал эту ситуацию Эд Кёрнс из Бостонского университета, работавший в коллаборации Super-K. Ученые пришли к выводу, что, скорее всего, мюонные нейтрино меняли аромат, превращаясь в тау-нейтрино, которые плохо фиксировались в Super-K. Благодаря этим открытиям в последние годы XX в. все больше представителей физического сообщества склонялись к мысли, что именно осцилляция позволяет объяснить аномалии в соотношении сортов атмосферных нейтрино, а также наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино.

Правда, тот факт, что некоторые нейтрино буквально исчезают в полете, нельзя было считать прямым доказательством перехода нейтрино из одной разновидности в другую. Чтобы убедиться в верности такой интерпретации, физики должны были определить, во что превращаются солнечные электронные нейтрино, либо как минимум изучить электронные нейтрино отдельно от других ароматов. Именно для этой цели была построена нейтринная обсерватория Sudbury (SNO), оборудованная в действующей никелевой шахте на севере канадской провинции Онтарио. Детектор SNO был призван решить проблему солнечных нейтрино раз и навсегда. Позже эта лаборатория была расширена до целого научного комплекса, получившего название SNOLAB.