Нейтрино — елементарна частинка з неймовірними властивостями. Усе, що стосується її, вкрай заплутано і суперечливо. Ми навіть не знаємо точно, скільки їх видів насправді існує — один, три, чотири чи шість. А ще її надзвичайно важко упіймати, проте науковцям це вдається.
Загадкові нейтрино
Серед питань, які нам ставлять читачі, є такі:
1. Якщо нейтрино мають масу (спокою), то чому вони рухаються зі швидкістю світла у вакуумі? Адже нейтринні події долітають якраз раніше з оптичними вибухами наднових.
2. Якщо різні покоління нейтрино мають різну масу (спокою), то як може відбуватися їхня осциляція? Звідки енергія для зміни маси?
3. Чи є натяки на осциляцію на 4 вид/покоління нейтрино?
Дякую.
Сергій Воробйов
Питання, поставлені Сергієм, справді непрості. Нейтрино — найзагадковіша і «найбожевільніша» частинка, відома людям. Навіть розпіарений бозон Хіггса не такий складний для розуміння того, що з ним і як. Щодо жодної іншої з уже відкритих частинок у нас немає такої кількості питань, а ті відповіді, що є, не здаються настільки дивними.
До того, як почати відповідати на поставлені запитання, варто розповісти, як нейтрино були відкриті, й почати для цього доведеться здалеку. На початку ХХ століття для того, аби пояснити цілу низку нових ефектів, відкритих під час дослідження мікросвіту фізики, створили нову теорію — квантову механіку. Саме вона, а не класична ньютонівська динаміка та максвелівська термодинаміка, пояснює, що відбувається з окремими атомами та елементарними частинками.
Квантова механіка містить величезну кількість складних для опису і дуже неінтуїтивних із побутового погляду положень, з яких для розуміння причини появи нейтрино варто прийняти лише одне. На мікрорівні енергія поглинається і випромінюється певною речовиною не в якій завгодно кількості, а у чітко встановленій, яка називається квантом. Електрони, переходячи з одного рівня збудження на інший, випромінюють чи поглинають кванти енергії.
І все було б чудово, якби не існувало такого явища як бета-розпад. При ньому нейтрон випромінює негативно заряджений електрон і перетворюється на позитивно заряджений протон. Відповідно до квантової механіки, при бета-розпаді мав би спостерігатися дискретний спектр електронів, тобто вони повинні були б мати тільки певні чітко визначені рівні енергії.
Проте насправді спектри були суцільними, тобто рівні енергії були довільними. Для того, аби пояснити, як таке може бути, у 1930 році Вольфганг Паулі припустив, що під час бета-розпаду разом з електроном народжується крихітна незаряджена частинка, якій і передається певна частина енергії так, щоб у сумі з тією, яку отримав електрон, вона утворювала квант.
Сам Паулі пропонував назвати її нейтроном, проте ця назва закріпилася за іншою частинкою. Тож італійський фізик Енріко Фермі, той самий, що багато років по тому спитає «а де всі інопланетяни?», давши початок парадокса імені самого себе, сказав, що кращим варіантом буде «нейтрино». Це італійське слово означає «маленький нейтрон» і саме воно закріпилося як назва частинки, якої ніхто не бачив, але яка мала врятувати фізику.
Три покоління нейтрино
Експериментально існування нейтрино було підтверджене тільки 1956 року. Проте ще до того у фізиці сталися події, які показали, що нейтрино — значно складніша річ, ніж вважалося до того.
У 1937 році вчені відкрили у складі космічного випромінювання нову частинку. Вона була важчою за електрон, але легшою за протон. Спочатку її порахували за щось проміжне між цими двома «цеглинками матерії» та назвали «мезотроном», а потім — «мезоном». Проте згодом виявилося, що тих мезонів багато і насправді з ними все набагато заплутаніше. Зрештою, всі погодилися з назвою «мю-мезон», або «мюон».
Мюон був у 207 разів важчий за електрон, але в цілому дуже схожий на нього своїм одиничним від’ємним зарядом і теоретично міг утворювати з протонами атоми. Щоправда, час його існування становив лише 2,2 мікросекунди, але за мірками частинок високих енергій і це було чимало.
При тому у пряму взаємодію з рештою частинок мюон практично не вступав. А в тих нечисленних реакціях, в яких брав участь, у нього спостерігався неперервний спектр, як у електрона, хоча відповідно до квантової механіки він мав бути дискретним. Не дивно, що ще у 1940-х роках виникла ідея, що з ним має бути пов’язане нейтрино.
Існування мюонного нейтрино було доведене 1962 року. І виявилося, що це не зовсім та частинка, що супроводжує електрон під час бета-розпаду. Проте на той момент вчені вже знали, що у квантовому світі все ще складніше. Поступово народжувалося те, що зараз називається стандартною моделлю, яка описує всю звичну нам речовину та процеси у ній, крім гравітації. До неї входили гіпотетичний тоді бозон Хіггса, чотири переносники взаємодій, а решту частинок, які називалися ферміонами, поділили на три покоління.
Уся звична нам речовина складається з ферміонів першого покоління: двох кварків (верхнього та нижнього), з яких складаються протони й нейтрони, та двох лептонів: електрона та відповідного йому нейтрино.
У другому поколінні, з яким науковці середини ХХ століття тільки почали знайомитися, теж були два кварки (зачарований та дивний) і два лептони (мюон та його нейтрино). Усі ці частинки є майже ідентичними своїм «родичам» із першого покоління, тільки набагато важчі.
Проте мало бути ще й третє покоління, яке теж складалося б із двох кварків, важкого «родича» електрона та відповідного йому нейтрино. Існування найважчого з усіх лептонів експериментально довели 1975 року. Його назвали тау-мезоном, або таоном.
А от таонне нейтрино дуже довго «вислизало» з рук дослідників, хоча в його існуванні ніхто не сумнівався. Лише 2000 року його підтвердили експериментально.
Нейтринна астрономія та швидкість нейтрино
У другій половині ХХ століття науковці замислилися над тим, що людям можуть дати нейтрино. І відповідь була очевидною. У космосі існують такі потужні їхні джерела, як зорі. На останніх етапах зоряної еволюції до 90% усієї енергії може припадати саме на цих крихітних «нейтралів». А значить, збираючи та аналізуючи їх так, як ми робимо з фотонами, можна багато дізнатися про глибини космосу.
Але з нейтрино, котрі нейтральні та практично не взаємодіють із рештою речовини, фокуси типу збирання лінзою та дзеркалом не працюють. Ці частинки легко можуть пролетіти крізь планету і не помітити цього.
Доводиться покладатися на ті нечисленні процеси, в яких нейтрино все ж беруть участь. Проте для того, аби хоча б невелика доля невловимих частинок брала в них участь, детектори доводиться ховати в найглибших шахтах чи антарктичній кризі.
І ось тут саме час згадати питання Сергія про швидкість нейтрино. На самому початку, коли вони ще лишалися суто теоретичними, вважалося що їхня маса дорівнює нулю. З повсякденної точки зору звучить дивно, але для квантової фізики це цілком нормально. Фотон теж не має маси спокою.
Відсутність у нейтрино маси означала, що вони можуть рухатися з будь-якими швидкостями, що не перевищують світлову. Однак згодом з’ясувалося, що маса нейтрино надзвичайно мала, але вона існує і складає менше, ніж 0,28 еВ. Скільки точно — питання вкрай цікаве і про нього докладно буде сказано далі. Але навіть максимальна оцінка означає, що крихітна частинка важить у мільйон разів менше за електрон.
Та маса все одно залишається масою, якою б малою вона не була. Згідно з теорією відносності, жоден об’єкт, який її має, розігнатися до світлової швидкості не може. Для цього треба витратити нескінченну кількість енергії. Тож питання про швидкість нейтрино справді цікаве.
Науковці почали цікавитися ним ще у 1980-х роках, коли вивчали нейтрино, що приходять від наднових, і продовжують розбиратися із цим досі. Причина того, що нейтрино від спалаху наднової ІІ типу (кінцевий етап еволюції масивної зорі) може досягти Землі раніше, ніж фотони, криється не у швидкостях, а у самій фізиці процесу вибуху.
Нейтрино, які майже не взаємодіють із речовиною, покидають зорю значно раніше, до розвитку ударних хвиль та вивільнення фотонів. Попри те, що швидкість нейтрино дещо менша за швидкість світла, різниці між часом вивільнення цілком достатньо, аби нейтрино «обігнали» фотони, навіть якщо вибух стався у сусідній галактиці. Саме це спостерігалося у випадку наднової SN1987a, що спалахнула у Великій Магеллановій Хмарі: потік нейтрино був зафіксований на кілька годин раніше, ніж інші види випромінювання. Однак вони можуть рухатися трохи повільніше за частинки світла.
І протягом останніх чотирьох десятиліть вчені провели кілька експериментів, аби з’ясувати, наскільки саме повільніше за фотони рухаються нейтрино в космосі. Це надзвичайно складні виміри, й щоразу результат трохи відрізнявся. Однак у будь-якому разі величина відхилення складає від 1 до 4 десятитисячних відсотки. Тобто нейтрино рухаються лише на кілька десятків метрів за секунду повільніше за світло. При тій крихітній масі, що мають нейтрино, це цілком можливо, з погляду сучасної фізики.
Нейтринні осциляції
Безумовно, найголовнішим астрономічним об’єктом для спостережень за допомогою детекторів нейтрино є наше Сонце. Переважна більшість частинок, які все ж вдається вловити, прилітає саме звідти. Проблема полягає в тому, що їх набагато менше, ніж те передбачає теорія.
Нейтрино вкотре загадали вченим загадку. Можливо, ми щось дуже неправильно розуміємо про наше власне світило? Проте є значно простіше і водночас божевільніше пояснення.
Ще 1985 року було висунуто припущення про нейтринні осциляції. Вчені припустили, що в процесі того, як ці крихітні частинки рухаються космосом, їхній квантовий стан може коливатися і нейтрино певного покоління можуть перетворюватися на представників іншого.
Сонце має породжувати переважно електронні нейтрино, тож саме за ними й полюють астрономи. Але що як вони їх не бачать у достатній кількості тільки через те, що вони перетворилися на мюонні та тау-нейтрино?
Проведені на початку ХХI століття досліди тих нейтрино, що народжуються в ядерних реакторах та прискорювачах, показали, що осциляції справді існують. А згодом детектор, що розташований у старій шахті в Садбері (Канада), знайшов сонячні нейтрино усіх трьох типів, і їхня сумарна кількість виявилася саме такою, як передбачала теорія.
Але все ж, що з питанням про зв’язок осциляцій із масою частинок? Дійсно, в усіх трьох поколінь нейтрино різні маси. Які саме — точно невідомо, але вони дискретні й при цьому менші за вже згадану межу 0,28 еВ. Якщо осциляції справді відбуваються, то чи означає це, що маси якось змінюються? І що тоді із законом збереження енергії?
Для того, аби пояснити все це, треба звернутися до такого поняття, як суперпозиція. Воно означає, що певний параметр об’єкта перебуває одразу в кількох станах, які при його спостереженні реалізуються з певною ймовірністю. У звичному нам макросвіті таке неможливо, проте для «божевільної» квантової механіки це цілком нормально.
Приклад суперпозиції, про який усі чули, — це кіт Шредінгера, що одночасно живий та мертвий. Там у суперпозиції перебуває частинка, яка з певною ймовірністю може виявитися хвилею, або так і залишитися частинкою.
Так от, у випадку нейтрино, три дискретні маси перебувають у стані суперпозиції. Тобто значення цього параметру ніби статистично розмите й енергія має якесь середнє значення. І те, яким поколінням проявить себе кожна конкретна частинка, сильно залежить від того, який шлях вона подолала. Порушення принципу збереження енергії не відбувається.
Резонно виникає питання, якщо такі осциляції можливі для нейтрино, то що заважає так само перетворюватися електронам в мюони чи верхнім кваркам перетворюватися на зачаровані? Коротка відповідь — маса. Тобто потенційно квантові осциляції їхнього квантового стану можуть відбуватися. Однак через те, що навіть електрон у мільйон разів масивніший за нейтрино, стрибків між поколіннями в інших частинок не відбувається.
Четвертий різновид нейтрино
Питання про те, чи може існувати четвертий різновид нейтрино, мабуть, найцікавіше. Одразу треба сказати, що у вигляді четвертого покоління їх бути не може. Сучасна фізика такі речі виключає. Проте у деяких експериментах на прискорювачах вчені справді бачать дефіцит усіх трьох нині відомих різновидів.
Це і наводить їх на думку, що, можливо, існує четвертий різновид цих невловимих частинок, який називають стерильними нейтрино. Очікується, що він має масу близьку до 1 еВ і при цьому взагалі не взаємодіє з рештою речовини.
Що він насправді собою може являти — досі точаться суперечки. Останнім часом з’явилися статті, що насправді це теж не один вид нейтрино, а три різні. Що кожне з поколінь насправді також може існувати у своєму окремому стерильному стані. Проте жодних експериментальних даних, які взагалі щось однозначно доводили б, немає.
Саме тому так важко сказати, скільки ж насправді є видів нейтрино: три класичних, шість, тільки два: стерильні та нестерильні, чи взагалі це одна і та сама частинка, яка успішно обманює нашу здатність класифікувати речі.
Нейтрино — дивовижні частинки, які зберігають ще чимало таємниць. І вони варті того, аби продовжити їх досліджувати, адже цілком можливо, що основна маса інформації про те, що відбувається у Всесвіті, зберігається саме в них.
