Окончание (начало в выпусках 300-305) |
|
|||
(Нобелевская
премия по физике 2015) Что дальше? После доказательства существования нейтринных осцилляций развитие нейтринных исследований резко активизировалось. Для этого использовались все возможные источники нейтрино: пучки от ускорителей, реакторы, Солнце, атмосферные нейтрино, и даже нейтрино, приходящие непосредственно из дальнего космоса. Продолжают работать галлий-германиевые детекторы (один из них в Баксанском ущелье на Кавказе). Эти детекторы в принципе подобны хлор-аргонному детектору Дэвиса; они накапливают германий, в который превращается галлий под действием нейтрино. Важным отличием их от детектора Дэвиса является более низкий порог чувствительности по энергии нейтрино. Однако большинство действующих и строящихся детекторов регистрируют каждое отдельное событие нейтринного взаимодействия. Основное внимание при этом было уделено, конечно, изучению
деталей осцилляций. Эволюция мюонных нейтрино лучше всего изучается
в пучках от ускорителей. Детекторы ставят на разных расстояниях от ускорителя.
Сейчас имеются три таких комплекса с максимальным расстоянием примерно
При наличии трех нейтринных флейворов для описания их осцилляций, кроме двух разностей квадратов масс, необходимы, вообще говоря, еще 4 параметра, которые описывают смешивание волн с разными нейтринными флейворами. Из этих четырех параметров три уже измерены, хотя точность пока не всюду хорошая. Последний, четвертый параметр будет описывать нарушение так называемой СР-симметрии, т.е. указывать на возможное различие взаимодействий нейтрино и антинейтрино. Но и его измерение еще не завершит проблемы осцилляций. Остается, прежде всего, иерархия масс. Чтобы понять, что это такое, вспомним про заряженные лептоны – электрон, мюон и тау-лептон. Они имеют различные массы, мюон примерно в 210 раз тяжелее электрона, а тау-лептон тяжелее того же электрона примерно в 3500 раз. Т.о. массы электрона и мюона относительно близки, а тау-лептон сильно отодвинут от них. Ситуация в системе трех известных нейтрино сходна с системой заряженных лептонов: как уже говорилось, одна из разностей масс заметно превышает другую. Нейтрино, самое отодвинутое по массе, может быть самым тяжелым (подобно тау-лептону), но может быть и самым легким. Эта неоднозначность, вероятно, скоро будет разрешена. Конечно, надо бы измерить и абсолютные значения нейтринных масс. Соответствующие эксперименты готовятся, но, возможно, потребуется еще не одно поколение таких экспериментов, прежде чем массы получат определенные значения вместо нынешних ограничений сверху. Для обнаружения и изучения космических нейтрино создаются новые огромные детекторы. В дополнение (или на замену) к СуперКамиоканде строится установка еще большего размера, ГиперКамиоканде. Она будет вмещать уже один миллион тонн чистой воды. Есть и более экзотические установки. В Средиземном море, вблизи побережья Франции, а также в озере Байкал, на глубину более километра в воду опущены гирлянды оптических ячеек, которые должны регистрировать черенковское излучение от взаимодействия нейтрино в воде. А в Антарктике, на Южном полюсе, аналогичные оптические модули вморожены в лед, тоже на глубину больше километра. Образованный ими эффективный детектор, Ледяной Куб, имеет форму куба с ребром в один километр. Этот детектор уже дал неожиданные результаты – он зафиксировал нейтрино с энергией в сотни раз больше, чем в пучке Большого Адронного Коллайдера. Байкальский детектор сейчас расширяют до такого же размера. Есть еще, по меньшей мере, два направления исследований. Одно связано с тем, что хотя нейтрино не являются майорановскими, т.е. нейтрино отличаются от антинейтрино, все же они могут содержать майорановскую компоненту. Для поисков ее исследуют двойные бета-распады. Как уже говорилось, в обычном бета-распаде вместе с электроном образуется нейтрино (точнее, антинейтрино). В двойном бета-распаде вместе с двумя электронами образуются два антинейтрино. Но если у нейтрино есть майорановская компонента, то возможно также испускание двух электронов вообще без нейтрино. Обычные двойные бета-распады, с двумя антинейтрино, явления очень редкие, но уже обнаруженные. А по безнейтринным распадам пока сохраняется неопределенность, хотя интенсивные поиски ведутся несколькими экспериментальными коллаборациями на разных ядрах. Другое направление связано с возможным существованием добавочных типов нейтрино, так называемых стерильных нейтрино, которые не участвуют не только в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но и в обычных слабых взаимодействиях, и все же смешиваются с обычными нейтрино. В пользу реальности таких нейтрино уже есть экспериментальные указания, но пока не вполне определенные. Дальнейшие поиски самых разных форм стерильных нейтрино ведутся на различных установках физиками разных стран (один из возможных экспериментов готовится сейчас физиками ПИЯФ). Если стерильные нейтрино действительно обнаружатся, это будет означать, фактически, существование каких-то новых взаимодействий, более слабых, чем обычные слабые взаимодействия. Стерильные нейтрино могли бы быть также источником так называемой «темной материи», о необходимости которой говорят астрофизики. Даже этот краткий перечень наглядно показывает, что в обозримом будущем нейтринная физика не останется без задач. Какая польза от нейтрино? В 1935 году собрание Академии Наук СССР подвергло критике А.Ф.Иоффе за то, что он, директор Ленинградского Физико-Технического Института, допускает в Институте работы по изучению атомных ядер. А ведь ядра имеют настолько малые размеры, что никогда не смогут быть полезными в технике (заметим – это было через три года после открытия нейтрона и за три года до открытия деления ядер). Критика была повторена главной ленинградской газетой «Ленинградская Правда» в январе 1938 года, за несколько месяцев до открытия деления. Нужно ли напоминать сегодня о ядерной энергетике, ядерном оружии, ядерном материаловедении, ядерной медицине и еще много о чем? Вопрос, конечно, риторический. А к чему можно приспособить нейтрино? Прежде всего, бросается в глаза, что для нейтрино «нет преград, ни в море, ни на суше». В связи с этим в популярной литературе можно встретить самые разнообразные идеи. Например, телепатия могла бы объясняться обменом нейтринными сигналами между людьми (наверное, комментарии здесь излишни?) Более реалистично смотрится идея использования нейтринных пучков для связи с подводными лодками в глубинах Мирового океана. Однако достаточно чувствительные нейтринные детекторы имеют такие размеры, что вряд ли можно впихнуть их даже в самую большую атомную подлодку. Да и размеры источников нейтринных пучков, ускорительных комплексов, тоже вполне солидные. Так к чему же можно приспособить нейтрино? Прежде всего, к фундаментальным исследованиям. В середине 19-го века высказывалось сожаление, что звезды очень далеки, и люди никогда не узнают, из чего они состоят. А уже через пару лет был изобретен спектральный анализ, который позволил изучать состав Солнца и звезд, не приближаясь к ним (более того, гелий был открыт на Солнце раньше, чем на Земле). Но попасть в центр Солнца никто не мог даже мечтать. Однако, изучая солнечные нейтрино, уже удалось заглянуть и туда. «Нейтринный термометр» показал, что температура в центре Солнца примерно 15 миллионов градусов (на поверхности лишь 6000 градусов). Нейтрино рассказали и о том, как именно происходит внутри Солнца превращение водорода в гелий (в основном, через так называемый протон-протонный цикл). Удалось также осуществить своеобразную «машину времени». Нейтрино из центра Солнца попадают к нам уже через 8 минут после своего рождения. А другим формам энергии (свет, тепло и т.д.) требуется примерно 100 тысяч лет, чтобы выбраться из центра Солнца на его поверхность. Сравнение нейтринного излучения Солнца с современным излучением энергии с его поверхности показывает, что Солнце горит сейчас примерно с той же интенсивностью, как и 100 тысяч лет назад. Сейчас на повестке дня изучение нейтрино, приходящих извне Солнечной системы. Они могут рассказать, например, как происходят взрывы сверхновых звезд, а может быть, даже помогут раскрыть тайну происхождения космических лучей и сообщат что-то о ранней истории Вселенной. Но и на Земле нейтрино могут показать свою полезность. Скажем, с помощью электромагнитных волн и механических колебаний (например, от небольших взрывов) геофизики «просвечивают» земную кору, но относительно неглубоко. При этом интерпретацию наблюдений можно контролировать сравнением с образцами, взятыми из специально пробуренных скважин. Сейсмические волны от землетрясений или от сильных (например, атомных) взрывов позволяют «просвечивать» весь Земной шар насквозь. Но при интерпретации этих результатов приходится использовать различные гипотезы, которые не всегда удается проверить. Нейтринные данные могут предложить альтернативный взгляд на эту проблему. Для нейтрино совсем не трудно пересечь весь Земной шар, даже по диаметру. Но присутствие вещества Земли на этой траектории влияет на свойства нейтринных осцилляций (при этом важна электронная плотность вещества). Таким образом, комбинация сейсмических и нейтринных данных может сделать интерпретацию (более) однозначной (следует сказать, что нужная точность пока не достигнута). Еще один возможный источник сведений о структуре Земли могут дать так называемые геонейтрино. Это нейтрино от бета-активных атомных ядер внутри Земли, которые, в основном, являются продуктами распадов ядер урана и тория. Сигнал от таких нейтрино выглядит довольно слабым на фоне других источников (атмосферные, реакторные и др. нейтрино). Но недавно его удалось, наконец, выделить. Ясно, что исследования геонейтрино будут расширяться и дадут ценные сведения о распределении химических элементов внутри Земли. Есть и еще одно применение нейтрино, которое может быть особенно интересным в близкой перспективе. Это дистанционный контроль за работой атомных реакторов. Очевидно, что режим работы реактора и вещества, накапливающиеся в нем в ходе работы, влияют на интенсивность и энергетический спектр нейтринного излучения от реактора. Такой контроль может быть очень важен для программы нераспространения атомного оружия. Итак, даже такую ускользающую частицу, как нейтрино,
«которую невозможно обнаружить», можно все же приспособить к вполне
практическим задачам. Это дает аргументы для продолжения и расширения
нейтринных исследований. Я. И. Азимов
|
||||
