Нейтрино — элементарная частица с невероятными свойствами. Все, что касается ее, крайне запутано и противоречиво. Мы даже не знаем точно, сколько их видов действительно существует — один, три, четыре или шесть. А еще ее очень трудно поймать, однако ученым это удается.
Загадочные нейтрино
Среди вопросов, которые нам задают читатели, есть такие:
- Если нейтрино имеют массу (покоя), то почему они двигаются со скоростью света в вакууме? Ведь нейтринные события долетают как раз раньше с оптическими взрывами сверхновых.
- Если разные поколения нейтрино имеют разную массу (покоя), то как может происходить их осцилляция? Откуда энергия для смены массы?
- Есть ли намеки на осцилляцию на 4 вид/поколение нейтрино?
Спасибо.
Сергей Воробьев
Вопросы, заданные Сергеем, действительно непростые. Нейтрино — самая загадочная и «безумная» частица, известная людям. Даже распиаренный бозон Хиггса не так сложен для понимания того, что с ним и как. Относительно ни одной из уже открытых частиц у нас нет такого количества вопросов, а имеющиеся ответы не выглядят столь странно.
Перед тем как начать отвечать на поставленные вопросы, стоит рассказать, как нейтрино были открыты, и начать для этого придется издалека. В начале ХХ века для того, чтобы объяснить ряд новых эффектов, открытых при исследовании микромира физики, создали новую теорию — квантовую механику. Именно она, а не классическая ньютоновская динамика и максвелловская термодинамика, объясняет, что происходит с отдельными атомами и элементарными частицами.
Квантовая механика содержит огромное количество сложных для описания и очень неинтуитивных с бытовой точки зрения положений, по которым для понимания причины появления нейтрино следует принять только одно. На микроуровне энергия поглощается и излучается определенным веществом не в любом количестве, а в четко установленном, которое называется квантом. Электроны, переходя с одного уровня возбуждения на другой, излучают или поглощают кванты энергии.
И все было бы здорово, если бы не существовало такого явления, как бета-распад. При нем нейтрон излучает отрицательно заряженный электрон и превращается в положительно заряженный протон. Согласно квантовой механике, при бета-распаде должен наблюдаться дискретный спектр электронов, то есть они должны были бы иметь четко определенные уровни энергии.
Однако на самом деле спектры были сплошными, то есть уровни энергии были произвольными. Чтобы объяснить, как такое может быть, в 1930 году Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном рождается крошечная незаряженная частица, которой и передается определенная часть энергии так, чтобы в сумме с полученной электроном она образовывала квант.
Сам Паули предлагал назвать ее нейтроном, однако это название закрепилось за другой частицей. Итак, итальянский физик Энрико Ферми, тот самый, что много лет спустя спросит «а где все инопланетяне?», дав начало парадоксу имени самого себя, сказал, что лучшим вариантом будет «нейтрино». Это итальянское слово означает «маленький нейтрон» и именно оно закрепилось как название частицы, которую никто не видел, но которая должна была спасти физику.
Три поколения нейтрино
Экспериментальное существование нейтрино было подтверждено только в 1956 году. Однако еще до того в физике произошли события, которые показали, что нейтрино значительно сложнее, чем считалось до этого.
В 1937 году ученые открыли в составе космического излучения новую частицу. Она была тяжелее электрона, но легче протона. Сначала ее посчитали за что-то промежуточное между этими двумя «кирпичиками материи» и назвали «мезотроном», а затем «мезоном». Однако потом оказалось, что тех мезонов много и на самом деле с ними все гораздо запутаннее, и все согласились с названием «мю-мезон», или «мюон».
Мюон был в 207 раз тяжелее электрона, но в целом очень похож на него своим единичным отрицательным зарядом и теоретически мог образовывать с протонами атомы. Правда, время его существования составляло всего 2,2 микросекунды, но по меркам частиц высоких энергий и это было немало.
При том в прямое взаимодействие с остальными частицами мюон практически не вступал. А в тех немногочисленных реакциях, в которых участвовал, у него наблюдался непрерывный спектр, как у электрона, хотя в соответствии с квантовой механикой он должен быть дискретным. Неудивительно, что еще в 1940-х годах возникла идея, что с ним должно быть связано нейтрино.
Существование мюонного нейтрино было подтверждено в 1962 году. И оказалось, что это не совсем частица, сопровождающая электрон при бета-распаде. Однако к тому времени ученые уже знали, что в квантовом мире все еще сложнее. Постепенно рождалось то, что сейчас называется стандартной моделью, описывающей все привычное нам вещество и процессы в ней, кроме гравитации. В нее входили гипотетический тогда бозон Хиггса, четыре переносчика взаимодействий, а остальные частицы, которые назывались фермионами, были разделены на три поколения.
Все привычное нам вещество состоит из фермионов первого поколения: двух кварков (верхнего и нижнего), из которых состоят протоны и нейтроны, и двух лептонов: электрона и соответствующего ему нейтрино.
Во втором поколении, с которым ученые середины ХХ века только начали знакомиться, тоже были два кварка (очарованный и странный) и два лептона (мюон и его нейтрино). Все эти частицы почти идентичны своим «родственникам» из первого поколения, только гораздо тяжелее.
Однако должно быть еще и третье поколение, которое тоже состояло бы из двух кварков, тяжелого «родственника» электрона и соответствующего ему нейтрино. Существование самого тяжелого из всех лептонов экспериментально было доказано в 1975 году. Его назвали тау-мезоном, или таоном.
А вот таонное нейтрино очень долго «ускользало» из рук исследователей, хотя в его существовании никто не сомневался. Лишь в 2000 году его существование было доказано экспериментально.
Нейтринная астрономия и скорость нейтрино
Во второй половине ХХ века ученые задумались о том, что людям могут дать нейтрино. И ответ был очевиден. В космосе есть такие массивные их источники, как звезды. На последних этапах звездной эволюции до 90% всей энергии может приходиться именно на этих крошечных «нейтралов». А значит, собирая и анализируя их так, как мы делаем с фотонами, можно многое узнать о глубинах космоса.
Но с нейтрино, которые нейтральны и практически не взаимодействуют с остальным веществом, фокусы типа собирания линзой и зеркалом не работают. Эти частицы легко могут пролететь сквозь планету и не заметить этого.
Приходится полагаться на те немногочисленные процессы, в которых нейтрино участвуют. Однако для того, чтобы хотя бы небольшая доля неуловимых частиц участвовала в них, детекторы приходится прятать в глубочайших шахтах или антарктическом льде.
И вот тут самое время вспомнить вопрос Сергея о скорости нейтрино. В самом начале, когда они еще оставались чисто теоретическими, считалось, что масса их равна нулю. С обыденной точки зрения звучит странно, но для квантовой физики это вполне нормально. Фотон тоже не имеет массы покоя.
Отсутствие у нейтрино массы означало, что они могут двигаться с любыми скоростями, не превышающими световую. Однако впоследствии выяснилось, что масса нейтрино чрезвычайно мала, но она существует и составляет менее 0,28 эВ. Сколько точно — вопрос крайне интересный и о нем подробно будет сказано дальше. Но даже максимальная оценка означает, что крошечная частица весит в миллион раз меньше электрона.
Но масса все равно остается массой, какой бы малой она ни была. Согласно теории относительности, ни один объект, который ее имеет, разогнаться до световой скорости не может. Для этого нужно израсходовать бесконечное количество энергии. Так что вопрос о скорости нейтрино действительно интересный.
Ученые начали интересоваться им еще в 1980-х годах, когда изучали приходящие от сверхновых нейтрино, и продолжают разбираться с этим до сих пор. Причина того, что нейтрино от вспышки сверхновой II типа (конечный этап эволюции массивной звезды) может достичь Земли раньше фотонов, кроется не в скоростях, а в самой физике процесса взрыва.
Нейтрино, почти не взаимодействующие с веществом, покидают звезду значительно раньше, до развития ударных волн и высвобождения фотонов. Несмотря на то, что скорость нейтрино несколько меньше скорости света, разницы между временем высвобождения вполне достаточно, чтобы нейтрино «обогнали» фотоны, даже если взрыв произошел в соседней галактике. Именно это наблюдалось в случае сверхновой SN1987a, вспыхнувшей в Большом Магеллановом Облаке: поток нейтрино был зафиксирован на несколько часов раньше, чем другие виды излучения. Однако они могут двигаться немного медленнее частиц света.
И в течение последних четырех десятилетий ученые провели несколько экспериментов для того, чтобы выяснить, насколько медленнее фотонов движутся нейтрино в космосе. Это чрезвычайно сложные измерения, и каждый раз результат немного отличался. Однако в любом случае величина отклонения составляет от 1 до 4 десятитысячных процента. То есть нейтрино двигаются всего на несколько десятков метров в секунду медленнее света. При той крохотной массе, которую имеют нейтрино, это вполне возможно, с точки зрения современной физики.
Нейтринные осцилляции
Безусловно, самым главным астрономическим объектом для наблюдений с помощью детекторов нейтрино является наше Солнце. Подавляющее большинство частиц, которые все же удается уловить, прилетает именно оттуда. Проблема заключается в том, что их гораздо меньше, чем предполагает теория.
Нейтрино еще раз загадали ученым загадку. Может мы что-то очень неправильно понимаем о нашем собственном светиле? Однако есть гораздо более простое и одновременно сумасшедшее объяснение.
Еще в 1985 году было выдвинуто предположение о нейтринных осцилляциях. Ученые предположили, что в процессе того, как эти крохотные частицы движутся по космосу, их квантовое состояние может колебаться и нейтрино определенного поколения могут превращаться в представителей другого.
Солнце должно порождать преимущественно электронные нейтрино, поэтому именно за ними и охотятся астрономы. Но что если они их не видят в достаточном количестве только потому, что они превратились в мюонные и тау-нейтрино?
Проведенные в начале ХХI века опыты тех нейтрино, которые рождаются в ядерных реакторах и ускорителях, показали, что осцилляции действительно существуют. А впоследствии находящийся в старой шахте в Садбери (Великобритания) детектор нашел солнечные нейтрино всех трех типов, и их суммарное количество оказалось именно таким, какое предполагала теория.
Но все же, что с вопросом о связи осцилляций с массой частиц? Действительно, у всех трех поколений нейтрино разные массы. Какие именно — точно неизвестно, но они дискретны и при этом меньше уже упомянутого предела 0,28 эВ. Если осцилляции действительно происходят, то означает ли это, что массы как-то меняются? И что тогда с законом сохранения энергии?
Чтобы объяснить все это, нужно обратиться к такому понятию, как суперпозиция. Оно означает, что определенный параметр объекта находится в нескольких состояниях, которые при его наблюдении реализуются с определенной вероятностью. В привычном нам макромире такое невозможно, однако для «безумной» квантовой механики это вполне нормально.
Пример суперпозиции, о котором все слышали, — это кот Шрёдингера, одновременно живой и мертвый. Там в суперпозиции находится частица, которая с определенной вероятностью может оказаться волной или так и остаться частицей.
Так вот, в случае нейтрино три дискретные массы находятся в состоянии суперпозиции. То есть значение этого параметра будто статистически размыто и энергия имеет среднее значение. И то, каким поколением проявит себя каждая конкретная частица, сильно зависит от того, какой путь она преодолела. Нарушения принципа сохранения энергии не происходит.
Резонно возникает вопрос, если такие осцилляции возможны для нейтрино, что мешает так же превращаться электронам в мюоны или верхним кваркам превращаться в зачарованные? Короткий ответ — масса. То есть потенциально квантовые осцилляции их квантового состояния могут происходить. Однако из-за того, что даже электрон в миллион раз массивнее нейтрино, скачков между поколениями у других частиц не происходит.
Четвертая разновидность нейтрино
Вопрос о том, может ли существовать четвертая разновидность нейтрино, пожалуй, самый интересный. Сразу следует сказать, что в виде четвертого поколения их быть не может. Современная физика такие вещи исключает. Однако в некоторых экспериментах на ускорителях ученые действительно видят дефицит всех трех ныне известных разновидностей.
Это и наводит их на мысль, что, возможно, существует четвертая разновидность этих неосязаемых частиц, которую называют стерильными нейтрино. Ожидается, что он имеет массу близкую к 1 эВ и при этом вообще не взаимодействует с остальным веществом.
Что он на самом деле собой может представлять — до сих пор идут споры. В последнее время появились статьи, что на самом деле это не один вид нейтрино, а три разных. Что каждое из поколений на самом деле может существовать в своем отдельном стерильном состоянии. Однако никаких экспериментальных данных, которые вообще что-то однозначно доказывали бы, нет.
Именно поэтому так трудно сказать, сколько же на самом деле видов нейтрино: три классических, шесть, только два: стерильные и нестерильные, или вообще это одна и та же частица, которая успешно обманывает нашу способность классифицировать вещи.
Нейтрино — удивительные частицы, хранящие еще немало тайн. И они стоят того, чтобы продолжить их исследовать, ведь вполне возможно, что основная масса информации о происходящем во Вселенной хранится именно в них.
