Продолжение (начало см. в №300-301, 3
ноября 2015 и №302-303, 29 декабря 2015) |
 |
|
(Нобелевская премия по
физике 2015) Часть 3 Нейтринные осцилляции С самого момента обнаружения загадки солнечных нейтрино в научной литературе началось обсуждение возможных причин этого явления. Поначалу основные претензии предъявлялись к астрофизическим и ядернофизическим представлениям и расчетам. Эти претензии постепенно устранялись, и внимание сосредоточилось на свойствах частиц. Такая тенденция, конечно, усилилась, когда добавилась загадка атмосферных нейтрино. Но и в области частиц тоже были возможны различные причины. Например, по дороге из центральной области Солнца до Земли нейтрино могли бы чем-то поглощаться (хотя чем?). Или, если нейтрино имеет конечную массу, оно могло бы как-то распадаться (на что?). Постепенно все большее внимание стала привлекать гипотеза нейтринных осцилляций, которую впервые высказал Понтекорво еще в 1957 году. Тогда, конечно, не было еще наблюдений солнечных нейтрино и, тем более, не было их загадки. Но, узнав об экспериментальном различии нейтрино и антинейтрино, Понтекорво предположил, что между ними могли бы происходить осцилляции. В дальнейшем он продолжал уточнять и развивать эту гипотезу. Еще раньше, вскоре после открытия в 1947 году заряженного пиона и его распада на мюон и нейтрино, была высказана догадка о различии двух типов нейтрино, электронного и мюонного. В 1965 году это различие тоже стало экспериментальным фактом, и Понтекорво в 1967 году указал на возможность осцилляций между двумя типами нейтрино. Теперь известны уже три типа нейтрино (к электронному и мюонному добавилось тау-нейтрино), а в некоторых гипотезах предполагаются еще и другие их типы. Все они включаются сейчас в рассмотрение осцилляций. Что же такое нейтринные осцилляции? Вообще-то, это явление существует только в квантовой физике, в классической физике его просто нет. Однако можно все же подобрать некоторые аналогии, чтобы пояснить смысл таких осцилляций. Как известно, в квантовой физике любое тело, даже с ненулевой массой, обладает волновыми свойствами. А волны могут быть когерентными и даже интерферировать между собой при наложении друг на друга. Давайте рассмотрим здесь упрощенную модель. Пусть есть два типа нейтрино (назовем их электронным и мюонным). В квантовой физике они могут не соответствовать частицам с определенными массами. Вместо этого каждое из них, как волну, можно считать наложением (смесью) двух других волн (назовем их базисными), которые действительно связаны с определенными массами. В такой модели электронное и мюонное нейтрино являются двумя разными комбинациями двух базисных волн. Пусть теперь в некоторый момент времени в каком-то процессе возникло, скажем, электронное нейтрино. Согласно нашей модели, оно является совокупностью двух базисных волн. И распространяться оно будет именно как совокупность двух волн. Если базисные волны распространяются одинаково (в частности, имеют одинаковые массы), то комбинация волн будет все время одной и той же, так что в любой другой момент времени мы увидим то же самое электронное нейтрино. Если же базисные волны распространяются по-разному, то, начав с чисто электронного нейтрино, в другие моменты времени мы увидим уже другие комбинации базисных волн, которые будут восприниматься как комбинации электронного и мюонного нейтрино (или даже как чисто мюонное). При этом полный волновой поток остается постоянным, так что электронная доля волны сначала ослабляется, затем снова восстанавливается, снова ослабляется и т.д. Именно поэтому такое явление называется осцилляциями (т.е., колебаниями). Подобные осцилляции уже довольно давно известны для некоторых мезонов, но осцилляций лептонов никто раньше не видел. Одним из аналогов волновых осцилляций в классической физике является дисперсия света в веществе, где световые волны разной частоты имеют разные скорости, в результате чего белый свет (являющийся наложением разных частот) порождает эффекты типа хроматической аберрации. Еще одной аналогией можно считать амплитудную модуляцию радиоволн, где наложение волн нескольких близких частот порождает волну с осциллирующей амплитудой. Нейтринные осцилляции, с наблюдательной точки зрения, проявляются в двух формах. Во-первых, интенсивность нейтрино определенного типа (флейвора) может ослабляться при его распространении, т.е. изначальное нейтрино как бы исчезает; во-вторых, пучок нейтрино с определенным флейвором порождает примесь нейтрино с другим флейвором, которого первоначально там не было. Если имеется больше двух возможных типов нейтрино, то ситуация, конечно, усложняется, но качественно остаются те же два варианта проявлений: исчезновение исходных нейтрино и появление отсутствовавших нейтрино. Вернемся к экспериментам. Большие размеры детектора СК (СуперКамиоканде) позволили надежнее и точнее, чем в Камиоканде, определять в каждом событии энергию и направление движения нейтрино, породившего это событие. В событиях с солнечными нейтрино это позволило подтвердить, что они действительно идут от Солнца и даже получить его изображение в нейтринных лучах. А для атмосферных нейтрино можно было, зная направление, оценить длину пробега от места рождения нейтрино в земной атмосфере до точки взаимодействия его в детекторе. Это оказалось очень важно. Дело в том, что гипотеза нейтринных осцилляций предсказывает вполне определенную зависимость наблюдаемых эффектов от энергии нейтрино и от его пробега. Так вот, результаты, накопленные детектором СК уже к 1998 году, показали, что пропадание мюонных атмосферных нейтрино хорошо описывается ожидаемой формулой. Дальнейшее накопление данных СК еще надежнее подтвердило согласие с гипотезой осцилляций. Это разрешило загадку атмосферных нейтрино и дало подсказку для решения также и загадки солнечных нейтрино. Как уже объяснялось, нейтринные осцилляции, при описании их двумя базисными нейтрино, могут наблюдаться лишь при разных базисных массах. Более детальное рассмотрение показывает, что из экспериментов по осцилляциям определяется разность не самих масс, а их квадратов. Чем меньше эта разность, тем слабее эффект пропадания флейвора при одних и тех же значениях энергии и пробега нейтрино. Поэтому отсутствие пропадания атмосферных электронных нейтрино означает, что разность квадратов масс, влияющая на этот эффект, должна быть заметно меньше, чем для атмосферных мюонных нейтрино. Обработка данных по солнечным нейтрино в предположении осцилляций согласуется с таким ожиданием – две разности квадратов масс отличаются примерно в 30 раз (этот факт показывает, что наблюдаемые нейтринные осцилляции не могут определяться лишь двумя флейворами, необходимо хотя бы еще одно нейтрино; видимо, для этого достаточно учесть тау-нейтрино).
Для понимания смысла результатов СНО полезно сделать здесь некоторые пояснения. Взаимодействие нейтрино с любой мишенью может происходить в двух вариантах. В одном варианте нейтрино превращается в заряженный лептон (электрон, мюон или тау-лептон). Такой вариант называют взаимодействием через заряженный ток. В другом варианте (взаимодействие через нейтральный ток) нейтрино остается самим собой. В случае солнечных нейтрино заряженный ток оказывается действенным лишь для электронных нейтрино, так как энергия солнечных нейтрино недостаточна для рождения мюона, а тем более тау-лептона. А вот нейтральный ток может работать для всех флейворов, но происходит это по-разному в разных детекторах. В детекторе Дэвиса хлор превращается в аргон только через заряженный ток под действием электронного нейтрино. При этом ни тау-, ни мюонное нейтрино вообще никак не проявляются. В Камиоканде и в СК все нейтрино взаимодействуют с электронами. Для электронного нейтрино при этом работают заряженный и нейтральный токи вместе. А для тау- и мюонного нейтрино, приходящих от Солнца, работает только нейтральный ток, и их эффект получается в несколько раз меньше, чем у электронного нейтрино. Однако он существует и ослабляет видимое подавление потока от Солнца в Камиоканде и в СК по сравнению с подавлением в детекторе Дэвиса. В детекторе СНО нейтрино взаимодействуют с дейтроном. Заряженный ток превращает его в пару протонов. Это может сделать только электронное нейтрино, и подавление должно быть таким же, как у Дэвиса. А нейтральный ток просто расщепляет дейтрон на протон и нейтрон. Никакого влияния заряженного тока здесь нет, и все флейворы должны проявляться совершенно одинаково. Иначе говоря, эффект нейтрального тока измеряет здесь полный нейтринный поток. Что же показал детектор СНО? Оказалось, что события заряженного тока подтвердили ослабление потока электронных нейтрино, обнаруженное Дэвисом. Но события нейтрального тока обнаружили, что полный нейтринный поток хорошо согласуется с ожиданиями! Иначе говоря, нейтринный поток от Солнца никуда не исчезает, а лишь меняет свой флейворный состав, в полном согласии с гипотезой нейтринных осцилляций. Дальнейшие измерения на этих и других детекторах уточнили и подтвердили такой вывод, сделав его несомненным. Именно эти результаты СК и СНО отмечены Нобелевской премией по физике за 2015 год. Напомним, что измерить массы нейтрино пока не удалось, и было популярно мнение, что все они нулевые. Наблюдение осцилляций показало, однако, что две разности между тремя базисными массами отличны от нуля. Это означает, что из трех масс хотя бы две должны быть ненулевыми (что и упомянуто в формулировке Нобелевского комитета). Есть, впрочем, теоретические соображения, что все нейтринные массы не могут быть нулевыми. Но определить их величину еще только предстоит. Говоря о нейтринных осцилляциях, нельзя не сказать о человеке, который уже упоминался в этом тексте. Это Бруно (Максимович) Понтекорво. Он родился в Италии, после Университета работал в группе Ферми. В 1936 году уехал из фашистской Италии во Францию, где работал в группе Жолио-Кюри. После оккупации Франции эмигрировал в США, затем работал в Канаде, а по окончании войны переехал в Англию. В 1950 году он перебрался в Советский Союз, и с тех пор до конца жизни работал в Дубне. Понтекорво высказал много идей, гипотез и догадок, и фундаментальных, и прикладных. Например, он предложил использовать медленные нейтроны для поиска нефти (метод нейтронного каротажа). В нейтринной физике он предложил столько идей, что его прозвали Мистер Нейтрино. Нет сомнения, что, будь он жив, он был бы третьим Нобелевским лауреатом 2015 года (устав премии допускает деление ее на троих, но живых). Однако, увы, он умер в 1993 году, не дожив даже до раскрытия загадки атмосферных нейтрино.
Я. И. Азимов (Продолжение
следует) |
||
Данные СК, разрешив загадку
атмосферных нейтрино, не позволяли, однако, подтвердить, что и загадка
солнечных нейтрино тоже связана именно с осцилляциями. Здесь решающую
роль сыграл другой детектор, построенный в Канаде. Этот детектор, СНО
(