Неуловимое нейтрино

Если вы думаете, что вакуум - это настоящая пустота, то вы сильно ошибаетесь.

🕛 16.11.2009, 15:44

Даже холодное межзвездное пространство, не говоря уж об искусственно созданном вакууме, не так уж и пусто. На один кубометр Вселенной в среднем приходится один протон и один электрон. Еще в этом же кубике в среднем бывает 500 миллионов реликтовых фотонов и столько же реликтовых нейтрино. Наша Вселенная не только светится изнутри, с первой миллисекунды Большого Взрыва, но и «нейтринится» настолько же интенсивно.

Заинтригованы? А знаете ли вы, что:
* Нейтрино - неотъемлемая часть термоядерной реакции, дающей жизнь звездам. * Антинейтрино уносит на просторы Галактики около 2% энергии ядерного реактора. * Привычный нам «нейтрон» мог бы символизировать нейтрино, если бы дебаты о существовании таинственной частицы не затянулись бы до открытия настоящего нейтрона.

Существование нейтрино остро требовалось для поддержания веры в закон сохранения энергии, пошатнувшейся в 1931, когда даже великий Нильс Бор готов был отказаться от основы основ всей физики. Гипотеза Паули о существовании электрически нейтральной и очень легкой частицы, выдвинутая еще в 1930, вызывала горячие споры на протяжении четверти века, особенно после открытия в 1932 нейтрона (и современной теории ядра и ядерного распада, давшей толчок к созданию атомной бомбы).

Предсказанная теоретически, частица могла наблюдаться только косвенными методами. Если сейчас такой подход практически не вызывает сомнения у физиков, то более полувека назад доказательства считались эфемерными и сомнительными. В чем соль проблемы? В том, что нейтрино крайне сложно уловить напрямую. Классический эксперимент по нахождению нейтрино - это обратный бета-распад:

антинейтрино + протон -> позитрон + нейтрон + фотоны

В дальнейшем нейтрон захватывался веществом детектора с выделением фотонов. То есть две вспышки света, следующие с интервалом - это признак антинейтрино. Вы бы поверили?

Нейтринные детекторы располагают в толще вещества - в горах, во льдах Антарктиды, в шахтах - именно чтобы исключить любые побочные каналы образования «вспышек», кроме всепроникающего нейтринного канала. Водяной детектор является удобным контейнером для захвата нейтронов. Упрощенно, детектор нейтрино - это гигантский ледяной куб (сцинтиллятор), в который вставлены спицы из фотонных детекторов, регистрирующие малейшие выбросы излучения.

Две вспышки - вот и нейтрино. Верится с трудом, но таких экспериментов было поставлено много, набрана статистика. И главное, нейтрино стало только первой ласточкой в новой модели теоретической физики, когда теория шла впереди эксперимента, и предсказывала существование частиц и эффектов задолго до их экспериментального подтверждения. Нейтрино было теоретически изобретено, «подогнано» по свойствам для объяснения расхождений в эксперименте, и лишь затем косвенно обнаружено. Нейтрино нельзя пощупать и измерить общим аршином, оно такое особенное, и в него остается только верить :)

Физическая уникальность нейтрино - в отсутствии электрического заряда (не участвует в электромагнитных взаимодействиях) и «цвета» (неподвластно квантовой хромодинамике). Остающиеся «слабое» и гравитационное взаимодействия соответственно в миллион и в 10^(-38) степени раз менее интенсивны, чем «сильное». В итоге нейтрино путешествует по Вселенной, пронзая материю и время, имея крайне невысокие шансы быть замеченной и «схваченной» другой частицей. Также неподвластные хромодинамике другие лептоны (электрон, мюон и таон) имеют электрический заряд, и на роль вечных путешественников в пространстве не годятся.

Кстати, насчет единственности нейтрино споры ведутся не менее бурные. Если оно действительно нейтрально во всех смыслах, что же такое антинейтрино? И в чем их разница? Ведь если у электрона есть привычный нам отрицательный электрический заряд (тоже сама по себе условность, кстати - можно было бы электроном назвать позитрон, и наоборот), то у нейтрино никаких зарядов нет. Можно совершенно точно сказать, что выбор частицы и античастицы в данном случае был полностью произвольный, терминологический. Отличия же нейтрино от антинейтрино пришлось объяснять нобелевскому лауреату Ландау и его теории глубинной CP симметрии (симметрии по заряду-четности). Правда, в 1964 благополучно доказали нарушение CP симметрии в распаде нейтрального каона, что привело в итоге к предсказанию третьего поколения кварков, но это отдельная история. Считается, что проведенный ряд экспериментов не обнаружил никаких реакций, противоречащих фундаментальной разнице нейтрино и антинейтрино, то есть можно считать их различными.

Поиски отличий нейтрино от антинейтрино и так называемого лептонного заряда привели к теоретическому предположению, доказанному экспериментально в 1962 году - нейтрино не так уж и нейтрально, как предполагалось изначально. Оно имеет лептонный заряд, и все лептоны делятся на семейства (три в современной Стандартной Модели, а на тот момент было известно первых два), и нейтрино бывает электронное, мюонное и таонное. Физические следствия этого открытия крайне интересны - поскольку семейства частиц позволяют строить теории Великого Объединения и эволюции материи, но для нашего простого экскурса отметим, что нейтрино - это не одна частица, а целых три (плюс три их антипода).

Чем еще интересно нейтрино? Например, физика нейтрино не требует вложения триллионов долларов и постройки Большого Адронного Коллайдера. На пятом курсе мы каждую неделю ездили в Протвино на протонный синхротрон У-70, который регулярно используется и поныне для научных экспериментов. Комплекс Меченых Нейтрино, передовой прорыв физической мысли в те годы, и сейчас не потерял актуальности.

Но помимо ускорителей и реликтового фона, есть еще мощные источники нейтрино - звезды. Наблюдение нейтрино, испущенных звездами, доказало термоядерную природу звезд - что, вообще говоря, неочевидно - ведь типов звезд много, и наше солнце не самое представительное и интересное среди них. И нейтринная астрономия - реально существующая наука. Во-первых, нейтрино в звездах образуются (помните тизер в начале? нейтрино является обязательным компонентом термоядерной реакции), а во вторых они прошивают другие звезды насквозь и доходят до Земли. Что, теоретически, может дать нам информацию из самых звездных недр. Нейтринные телескопы на самом деле находятся глубоко в толще Земли, и детектируют поток частиц, проходящий через толщу Земли, с ее обратной стороны! Такие телескопы функционируют во многих странах, включая и Россию - BAIKAL на глубине 1км в водах Байкала, и Баксан на Кавказе.

Из области фантастики (но не абстрактной, а ограниченной всего лишь чувствительностью приборов) - именно нейтринная астрономия способна доказать существование антимиров - галактик, целиком состоящих из антивещества. Ведь “антизвезды” генерируют такой же неотличимый поток стандартных фотонов, как и обычные звезды. А вот мощнейший поток нейтрино от них будет весь иметь приставку «анти». Также нейтринный телескоп очень хорошо может определить коллапс звезды (в сверхновую, черную дыру или в карлик) в пределах нашей Галактики.

И на десерт: с нейтрино связаны еще два парадокса и множество теорий, которые подтвердить или опровергнуть на данный момент невозможно. Поток нейтрино от солнца стабильно меньше теоретически рассчитанного, вот уже много десятилетий. Теория, пытающаяся объяснить недостачу - это осцилляция нейтрино, превращение одного типа в другой (электронного в мюонное), несохранение лептонного заряда, соответственно, летящая к чертовой бабушке симметрия и триумф сторонников теорий Великого Объединения, для которых все равны (но только при высоких энергиях). Но если нейтрино осциллируют, то они имеют ненулевую (и различную) массу. А ненулевая масса нейтрино осложнит жизнь физикам-теоретикам, зато свободно вздохнут астрономы - у них не сходится дебет с кредитом, наблюдаемая масса Вселенной критически меньше необходимой по теории. И «скрытая» материя тогда могла бы быть почетно отдана во власть всепроникающих и неуловимых нейтрино, получивших массу.

На этом краткая научно-популярная вводная в физику нейтрино завершена, в случае успеха у публики могу продолжить вспоминать студенческие годы на физфаке :)