Реклама

четвъртък, 6 март 2008 г.

Неутрино

Ето малко интересна информация за неутриното. Приемете извиненията ми за това, че не е преведена - просто за момента не разполагам с това време. :-)
Статията е заимствана от списание "Наука и жизн".

НЕЙТРИНО

Среди "особенно важных и интересных" физических проблем конца XX века академик В. Л. Гинзбург большое внимание уделил вопросам, связанным с таинственной частицей - нейтрино (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Частица эта была открыта "на кончике пера", можно сказать, от отчаяния, чтобы спасти закон сохранения энергии (а ведь даже Нильс Бор готов был признать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться). Нейтрино обладает столь странными свойствами, что долгое время сомневались: можно ли в принципе эту частицу обнаружить? Однако не прошло и полувека, как были обнаружены нейтрино нескольких типов (или, как говорят физики, "ароматов") и даже возникла нейтринная астрономия.

Прежде чем начать разговор о нейтрино, следует сразу же поставить "неизбежные" вопросы. К примеру, если эта частица, как говорят, пролетает сквозь миллиардокиломет ровые толщи вещества (плотного урана, свинца, ртути или чего хотите), не вызвав никаких изменений ни в собственном состоянии, ни в веществе, то есть не испытав ни одного взаимодействия с веществом, то существует ли нейтрино или это плод фантазии теоретиков, вроде теплорода или эфира? Осязал ли кто-нибудь столь бестелесную материю? Есть ли нейтрино где-нибудь во Вселенной и в каком количестве? Кому (и чему) оно служит?
Все эти вопросы и масса им подобных - правильны, и они требуют ответа. И мы постараемся удовлетворить и любопытствующих, и скептиков, извинившись за то, что иногда придется уточнить смысл вопроса, упростить ответ или привлечь аналогию. Ведь точный ответ - когда профессиональные физики его уже имеют - содержится в довольно сложных уравнениях теории и объяснении результатов не менее сложных экспериментов.
Чтобы не плести интриги (нейтринный сюжет и без того - лихо закрученная история), начнем с ответа на самый едкий вопрос: есть ли такая частица - НЕЙТРИНО? Для физиков ответ однозначен - безусловно есть! Нейтрино вступает во взаимодействие со всеми давно известными частицами - атомными ядрами, протонами, электронами. И хотя интенсивность этого взаимодействия крайне мала (не зря оно названо "слабым"), его результат - продукты взаимодействия - "видят" созданные для этого приборы, детекторы элементарных частиц. Более того, они различают несколько видов нейтрино: те, что рождаются или гибнут (поглощаются) только вместе с позитроном, - электронные нейтрино nе, вместе с положительным мюоном - мюонное нейтрино nm, а вместе с положительным тау-мезоном (таоном) - таонное нейтрино nt. Существуют и три антинейтрино, спутники этих частиц. Поразительно это изобилие: ведь у нейтрино, как заметил Воланд совсем по другому поводу, "чего ни хватишься - ничего нет". Нет электрического заряда, вероятней всего, нет магнитных свойств (магнитного момента), нейтрино, похоже, стабильно (т. е. не распадается на другие элементарные частицы). Возможно, оно не обладает и массой - во всяком случае, экспериментаторы пока с достаточной надежностью не обнаружили ее проявления. Точно установлено, что любой вид нейтрино обладает собственным угловым моментом - спином. Но по величине он одинаков для всех видов нейтрино и такой же, как у протона или любого лептона, - 1/2h (постоянной Планка). Нейтрино всех видов взаимодействуют с веществом с одинаковой интенсивностью (универсально). Кажется, что вся индивидуаль ность только в названии, обусловленном родством с заряженным лептоном. Эти имена - электронное, мюонное, таонное - физики объединяют словом "ароматы", словно напоминая о том, что уловить различия могут только обладатели хорошего нюха.
Тем не менее сомнений в существовании нейтрино нет.
Много ли этих частиц?
Все видимое (то есть излучающее фотоны) вещество Вселенной состоит из нуклонов - протонов и нейтронов. Протоны представлены ядрами водорода, а нейтроны упакованы в легкие ядра - дейтерий и гелий. Другие элементы есть в лишь в малом количестве. Вещество собрано в звезды, звезды образуют галактики, галактики - скопления и сверхскопления галактик, расстояния между которыми гораздо больше их размеров. Но если все это вещество и межгалактическую пыль равномерно размешать, как газ, по всему объему Вселенной, то на каждый кубический метр пространства придется по одному протону. Столько же и электронов - ведь в целом наш мир электрически нейтрален.
Если подсчитать, к какой электрической силе отталкивания Земли от Солнца привел бы ничтожно малый относительный избыток положительного или отрицательного заряда, равный хотя бы 10-15, то ответ будет таков: кулоновская сила больше гравитационной в сто тысяч раз. Как бы выглядела Солнечная система?!!
Замечательное открытие реликтового излучения доказало, что Вселенная еще заполнена и квантами света - фотонами, число которых около 500 в каждом кубическом сантиметре Вселенной, в миллиарды раз больше, чем протонов. Мир заполнен светом!
А если справедлива теория горячей Вселенной с Большим взрывом в начале эволюции, то кроме реликтовых фотонов, родившихся в первую секунду жизни Вселенной и ставших свободными сто тысяч лет спустя, в каждом кубическом сантиметре пространства находятся и около 500 штук реликтовых нейтрино. Это действительно реликты, потому что достались нам от той же первой секунды. Мир не только "светел", но и "нейтринен".
И, наконец, о вопросе - зачем НАМ эти частицы?
Вопрос скорее мировоззренческий, но если он имеет научный смысл, то ответ давно готов. Жизнь на Земле существует за счет энергии Солнца. Солнце вырабатывает ее за счет цепочки превращения четырех протонов (почти 2.1030 кг массы Солнца - водород, т.е. протоны) в прочное ядро гелия. И первая необходимая реакция этой термоядерной цепочки - слияние двух протонов c образованием ядра дейтерия - возможна только с рождением нейтрино:
р + р (r) D + е+ +n.
Так что вряд ли можно жить в безнейтринном мире.
Кто его видел?
История поимки нейтрино развивалась по классическим канонам детектива: есть "преступление" - пропала энергия (и еще кое-что), есть расследователи (очень знаменитые), есть версии (очень увлекательные), есть косвенные улики и портрет подозреваемого (почти мистический), есть, наконец, драматическая погоня...
В конце ХIХ века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана - самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно, что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названных a, b- и g-лучами. Наша новелла будет связана с b-излучением.
В открытии А. Беккереля одновременно проявились все три вида взаимодействий, пружины микромира, определяющие его интригу: a-распад - сильное, b-распад - слабое и g-распад - электромагнитное взаимодействия. Мать-Природа, размышляя о подарке человечеству к новому столетию (почему-то она употребляет счет от Рождества Христова), была максимально щедра и подарила для умственной работы сразу все ключи от кладовых с источниками неживого и живого вещества. За этот век физики честно отработали подарок - узнали о всех взаимодействиях очень много. Для того чтобы понять, КАК они действуют, пришлось построить мощные ускорители и огромные детекторы элементарных частиц. Труднее всего достаются законы слабого взаимодей ствия. Будто Природа дразнит свое высшее создание: "Что, слабо?"
К 1930 году уже было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась b-частица Беккереля. Тогда еще и структура ядра "не была" протонно-нейтронной (не был открыт нейтрон), и процесс b-распада в символах записывался так:
Яр(mр )(r)Яд(m д)+ е-.
Это означает, что процесс превращения родительского ядра Яр с массой mр в дочернее ядро Яд с массой mд сопровождается излучением электрона (хотя обычно употребляемое слово "распад" как бы подразумевает то, что дочернее ядро и электрон до распада содержались в родительском ядре; на самом деле ничего подобного нет: все дочерние частицы родились в процессе превращения). Физики не знали, почему распадается ядро, какие силы вынуждают к этому? Природа b-распада предоставляла поле исследования. Покоя не давал другой, казалось бы, более простой вопрос: КАК вообще (независимо от причин) природа допускает такой распад? Ведь измерение энергии вылетающих электронов показывало, что от распада к распаду величина этой энергии принимала различные значения, а незыблемые законы сохранения энергии и импульса предписывали иное: сколько бы распадов ядер определенного типа (никто не сомневался, что они все одинаковые) ни наблюдать, каждый раз энергия электронов должна быть одной и той же. Увидеть в процессе Яр(mр )(r)Яд(m д)+е- с изменяющейся от распада к распаду энергией электрона противоречие закону сохранения энергии-импульса несложно. Надо лишь применить к распаду эти законы, помня о том, что элементарные частицы подчиняются механике теории относительности:
1. Полная энергия свободной движущейся частицы Е равна сумме энергии этой частицы в покое Е0 (по Эйнштейну, она полностью определяется массой частицы m и скоростью света в вакууме с: E0 = mc2) и кинетической энергии движения T:
Е = mc2 + T.
Для энергии и импульса частицы р в любой момент времени и в любой системе отсчета выполняется равенство Е2 - (рс)2 = (mc2)2.
Измеряя Е и р частицы в разных системах, мы обнаружим в системе "1" - Е1 и р1, в системе "2" - Е2 и р2, но разность квадратов всегда будет одна и та же. Это равенство, по существу, и есть определение массы частицы.
Вспомним законы сохранения энергии и импульса: "Каким бы ни было взаимодействие, суммарная энергия всех частиц ДО столкновения (или распада) равна суммарной энергии всех частиц, образовавшихся ПОСЛЕ столкновения (или распада). То же самое справедливо для суммарного импульса" (арифметические расчеты приведены на стр. 30). Из этого закона следуют три важных вывода.
1. Распад происходит только в том случае, если масса родительской частицы не меньше суммы масс продуктов распада. В случае "больше" продукты распада получат кинетическую энергию за счет энергии покоя (массы) родительской частицы.
2. Суммарная кинетическая энергия двух частиц постоянна, но при распределении этой энергии между двумя частицами почти вся кинетическая энергия достанется электрону, который в тысячи раз легче любого из ядер.
3. Если законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом акте распада на две частицы (для трех и более дочерних частиц это не так!), то и полные и кинетические энергии дочерних частиц не могут быть какими угодно. Они определяются только постоянными массами, и данное положение для нашего расследования наиболее важно. Сколько бы распадов ядер Яр мы ни наблюдали, в каждом из них и дочернее ядро, и электрон унесут одни и те же энергии. Конечно, в реальном опыте измеренные от распада к распаду энергии электронов должны отличаться в пределах ошибки измерения, но это совсем другой (иногда очень драматический, но другой) сюжет.
Измерение электронной энергии в большом числе распадов одинаковых ядер обнаружило совсем не то, что ожидали увидеть физики. Электронный спектр b-распада (относительное число электронов с данной энергией) заполнил сплошь ВСЮ область энергий от нуля до максимально возможной энергии Dmc2 и выглядел как плавная кривая с максимумом вместо ожидаемого для двухчастичного распада острого пика. Энергия электронов во всех случаях была меньше, чем предписано законами сохранения. Теперь, если не вступать в противоре чие с логикой (а чему еще прикажете подчиняться физику?), приходилось признать, что либо над b-распадом законы сохранения не властны, либо в процессе распада энергия, грубо говоря, украдена. Именно украдена, потому что, если энергию, законно принадлежавшую электрону в двухчастичном распаде (еще раз напомним, что дочернее ядро не уносит заметной энергии), унесла какая-то дополнительная частица (или несколько частиц), она сделала это нелегально. Потому что все попытки обнаружить среди продуктов b-распада следы чего-либо, кроме дочернего ядра и электрона, дали отрицательный результат. В природе происходило то, что не должно происходить, если верить в строгое соблюдение законов сохранения энергии и импульса.
Законы сохранения энергии и импульса были открыты на основе анализа измерений этих величин для тел, участвующих в различных (механических, тепловых, электрических) процессах. Но теперь мы понимаем, что эти законы - всего лишь следствие более глубоких свойств симметрии пространства и времени. В 1918 году Эмми Неттер, немецкий математик, доказала, что, если время однородно, энергия замкнутой системы с неизбежностью будет оставаться неизменной, то есть и миллиарды лет назад, и сейчас, и в будущем интенсивности взаимодействия не меняются: например, два заряда всегда отталкиваются с одинаковой силой. Импульс системы неизбежно сохраняется постоянным, если однородно пространство, то есть интенсивность взаимодействия не зависит от того, где находится система: и в Солнечной системе, и в окрестности Бетельгейзе созвездия Ориона притяжение двух тел определяется одной и той же гравитационной постоянной. Более того, из теоремы Неттер следует, что всякой симметрии (равноправию) в уравнениях, описывающих взаимодействие, обязательно соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина. Не так ли и в обществе людей: в равноправных (демократических) обществах существуют незыблемые законы, сохраняющие ценности общежития, а в недемократических - что позволено одним, то порой запрещено другим.
Правда, оставалась надежда уладить проблему непрерывного спектра и без детективщины. Ведь каждому известно, что пропавшая вещь необязательно украдена. Вот и электрон мог при рассеянии на веществе просто потерять всю или долю приобретенной в распаде энергии по дороге к прибору, который ее измеряет. Проверка версии "рассеянного электрона" быстро установила, что, к сожалению, никакого алиби для b-распада нет и версия "потери" отпадает. Конечно, кое-какие потери энергии есть, но не такие значительные, чтобы превратить "иглообразный пик" в "широкий холм".
В наблюдаемой картине b-распада была и вторая большая неприятность - с законом сохранения углового момента. Например, в b-распаде 14С(r)14N+e- собственные угловые моменты - спины родительского и дочернего ядер равны нулю, а спин электрона равен 1/2. Как ни складывай (а складывать моменты надо умело - ведь это квантовые векторы), - 1/2 оказывается лишней.
Расследование по "делу о b-распаде" вели знаменитейшие физики, и направление поисков определялось их мировоззрением, то есть представлением о том, как устроен мир. Великий Нильс Бор наилучший выход видел в признании за микромиром права нарушать законы сохранения энергии и импульса в каждом отдельном акте столкновения или распада элементарных частиц. При этом он полагал, что известные для механики макромира законы сохранения устанавлива ются только в результате суммирования импульсов и энергий по огромному числу элементарных процессов в макроскопическом объекте.
Много было и других смелых идей, но единственно правильную выдвинул швейцарец Вольфганг Паули.
В конце 1930 года на конференции физиков в Тюбингенском университете огласили письмо Паули от 4 декабря. Оно было адресовано Гансу Гейгеру и Лизе Мейтнер, но предназначено для всех участников:
"Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц... Непрерывность b-спектра станет понятной, если предположить, что при b-распаде вместе с каждым электроном испускается такой "нейтрон", причем сумма энергий "нейтрона" и электрона постоянна..."
Письмо заканчивалось так:
"Не рисковать - не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного b-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: "Ох, лучше не думать обо всем этом... как о новых налогах". Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый (подчеркнуто мной. - В. Н.) путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите".
Может быть, приведенный здесь текст письма и недостаточно точен из-за двойного (немецко-англо-русского) перевода. Но за шутливым словесным нарядом мы безошибочно различаем тревожный звук, ощущаем какую-то драму: "... и судите". Казалось бы, найдена прекрасная идея. Впору на весь ученый мир победно повторить знаменитое архимедово - "Эврика!" Но Паули чувствует, что, оберегая один важнейший принцип, он нарушает другой: "Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatem" ("Сущности не следует умножать без необходимости" - эта философская максима сформулирована в XIV веке Уильямом Оккамом). Бритва Оккама - инструмент нравственного запрета, и подать пример его нарушения означало бы открыть дорогу околонаучным шакалам, которым "все дозволено". Известно, что Паули с горечью (уже не шуточной) говорил после оглашения своей идеи: "Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я предложил нечто, что никогда не будет проверено экспериментально".
Только в 1933 году Паули подвел итог своим размышлениям. 22 октября на самом представительном собрании физиков всего мира - Сольвеевском конгрессе он говорил: "...Я предложил следующую интерпретацию b-распада: законы сохранения имеют силу; эмиссия b-частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайно проникающих нейтральных частиц, которые еще не наблюдались... Естественно, мы предполагаем не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и углового момента... во всех элементарных процессах". (В основе мировоззрения и физической интуиции Вольфганга Паули лежит вера в безусловное действие законов сохранения в каждом элементарном акте. Для гениальной интуиции Нильса Бора - создателя квантовой механики - "роднее" оказалась возможность нарушения этих законов.)
Между 1930 и 1933 годами в науке о b-распаде произошли важнейшие события. В 1942 году Джеймс Чэдвик экспериментально открыл "настоящий" нейтрон. Почти сразу же была выдвинута (Дмитрием Иваненко), развита (Вернером Гейзенбергом) и стала общепризнан ной теория протон-нейтронной структуры ядра. Теперь, следуя гипотезе Паули, процесс ядерного b-распада можно представить как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, масса ядра достаточна) на три частицы:
n(r)p + e- + n.
Такой распад свободного нейтрона обязан происходить и происходит, поскольку не запрещен никакими известными законами сохранения: сохраняется электрический заряд, сохраняются энергия и импульс (спектр электронов для трехчастичного распада нейтрона удивительно похож на известный из эксперимента), сохраняется и угловой момент, так как из трех векторных спинов дочерних частиц, равных 1/2, можно "сложить" 1/2 для родительского нейтрона.
Паули достаточно ясно представил коллегам и портрет неуловимого похитителя энергии. В сольвеевском докладе он говорил: "Что касается свойств этих нейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массы нейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Для того чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя "нейтрино" ("нейтрончик". - В. Н.). Возможно, присущая нейтрино масса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростью света. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть много больше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым, что нейтрино обладает спином 1/2..., хотя эксперимент и не дает прямых доказательств этой гипотезы
Можно ли добыть прямые доказательства?
Паули представил внушительную папку с косвенными доказательствами для трехчастичной версии сценария b-распада с участием невидимого нейтрино. Энрико Ферми был настолько убежден в реальности своего "крестника", что в 1934 году опубликовал теорию b-распада - первую замечательную модель слабых взаимодействий. Эта теория позволяла вычислить вероятность взаимодействия нейтрино с протоном. Как и ожидал Паули, эта вероятность оказалась невероятно мала. Чтобы представить себе эту малость, лучше всего воспользо ваться формулами.
Возьмем пучок нейтрино и направим его на большую мишень, которая обычно содержит приблизительно 1023 ядер (маленьких мишенек) в кубическом сантиметре. Ядра имеют радиус около 10-12 см и, следовательно, площадь поперечного сечения около 10-24 см2. Общая площадь всех ядер составит около 0,1 см2. Значит, если собрать все мишеньки на одну плоскость размером 1 см2, они займут одну десятую часть ее площади.
Если в привычном нам мире пуля попадет в стеклянный шарик, можно не сомневаться, что от него останутся осколки. Будь налетающие на мишень нейтрино классическими пулями, а ядра-мишеньки стеклянными шариками, вероятность разбить одно из ядер (или отскочить от слишком "твердого ядра") была бы 1/10. Для взаимодействия элементарных частиц предписаны квантовые вероятностные законы: частица может "проскочить сквозь" частицу без последствий. Но физики для характеристики вероятности рассеяния или поглощения элементарных частиц приняли по аналогии со светом модель "черной" мишеньки: черная мишень свет поглощает полностью, серая - частично. Реальную серую мишень можно представить себе как прозрачную, но с черным кружком такой площади, чтобы общее поглощение пучка было таким же, как у серой. Площадь черной мишени называют эффективной площадью мишени реальной.
Теперь посчитаем вероятность взаимодействия.
Пусть пучок, содержащий N0 частиц (например, наших нейтрино), налетает на мишень с плотностью n ядер на 1 см3 и длиной вдоль направления пучка L см. Предположим, что N частиц из пучка испытают взаимодействие в мишени. Формулу для N легко получить, зная характеристику интенсивности взаимодействия налетающей частицы с ядрами мишени и начала дифференциального исчисления (для начинающих физиков лучше всего подойдет книга академика Я. Б. Зельдовича "Высшая математика для начинающих"):
N = N0(1 _ e-snL).
При значении snL<<1 (а для взаимодействия нейтрино с веществом это всегда так, кроме вещества в сверхплотном состоянии, например нейтронных звезд) формула становится совсем простой: N=N0snL. Отношение числа провзаимодействовавших частиц к числу падающих на мишень частиц есть вероятность взаимодействия w= snL.
Символом s обозначают величину, называемую "эффективное сечение взаимодействия" и характеризующую интенсивность этого взаимодействия. Она измеряется в квадратных сантиметрах, как площадь. Это и есть та самая эффективная площадь, которая составляет лишь долю от геометрического размера ядра. (Заметим, что величина sn есть полное эффективное сечение, приходящееся на один сантиметр длины мишени, а nL - на всю длину.)
Каково же эффективное сечение s по сравнению с геометрическим? Вот тут-то во всю силу дает о себе знать интенсивность различных взаимодействий: для сильного (например, для рассеяния протона на протоне или нейтроне) - s по порядку величины приблизительно соответствует геометрическому сечению, то есть составляет около 10-24 см2. А для слабого взаимодействия s " 10-43 см2! Если перевести это в эффективный радиус "черного кружка", то получится величина в миллиард раз меньшая геометрического радиуса ядра.
Какова же должна быть длина мишени, чтобы нейтрино поглотилось в ней с вероятностью, близкой к единице? Подставив числа в формулу для вероятности (для свинца n " 1022 ядер/см3), получим L " 1022 cм = = 1015 км.
С какой подходящей длиной ее можно сравнить? Расстояние от Земли до Солнца 150 000 000 (108) км явно мало. Подойдет длина пути от Солнца до центра нашей Галактики - около 1016 км. Вооружившись формулой для вероятности, можно вычислить интенсивность пучка N0, которая потребуется экспериментатору, чтобы поставить опыт по поимке хотя бы одного нейтрино. Для детектора длиной около 100 м (соорудить в земной лаборатории нечто большее трудно) получим N0 " 1018. Это число можно уменьшить, если увеличить площадь детектора и пучка до "разумной" величины - 10 м2. Но и тогда потребуется нейтринный источник огромной силы - 1013. А ведь для надежного результата надо поймать хотя бы несколько сотен частиц.
Именно эту трудность как непреодолимую представлял себе чистый теоретик Паули, когда заключил пари на бутылку шампанского со своим приятелем, известным астрономом В. Бааде, утверждая, что "при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено". Интенсивность накопленных источников b-распада, которые могли бы давать пучки нейтрино, была в миллиарды раз меньше требуемой.
(Окончание следует.)
Доктор физико-математических наук В. Нозик.
Подробности для любознательных
ПРОВЕДЕМ РАСЧЕТ
Введем обозначения: Определим соотношения между энергией, импульсом и массой.
Закон сохранения энергии:
mpс2 = Ед + Еэ.
Закон сохранения импульса: 0 = Рд + Рэ.
Определения массы (mд с2)2 = Ед2 _ (Рд с2)2;
(mэ с2)2 = Еэ2 _ (Рэ с2)2.
Решив эту систему уравнений (тут достаточно школьной алгебры), получим:
Ед = (mp2 +mд2 _ mэ2)с 4/2mpс2;
Еэ = (mp2 _ mд2 + mэ2)с 4/2mpс2.
Очень простой на вид ответ содержит удивительно важные следствия.
1. Сумма масс дочерней частицы и электрона должна быть меньше или равна массе частицы родительской: mp і mд + mэ. Это неравенство легко получить, если помнить, что кинетическая энергия любой частицы не бывает отрицательной.
2. Суммарная кинетическая энергия двух дочерних частиц постоянна: Тд + Тэ = mс2 = = mpс2 _ (mд + mэ)с2 .

Солнце светит и греет за счет реакции слияния протонов в ядро дейтерия с испусканием позитрона и нейтрино. В ходе каждого акта реакции выделяется 2,2 МэВ энергии в виде излучения.
Долгое время считалось, что атомное ядро распадается на две части: дочернее ядро и электрон. В этом случае в каждом акте распада электрон должен уносить вполне определен ную энергию, пропорциональную его массе. Электронный спектр такого распада (кривая, характеризующая число электронов данной энергии) должен выглядеть как "палка" (энергия всех электронов одинакова), несколько размытая из-за тонких квантовых эффектов и неточности измерительной аппаратуры (вверху). На практике, однако, оказалось, что спектр имеет размытую колоколообразную форму (внизу). Электроны имеют разную энергию, причем значительно меньшую, чем ожидалось. Это противоречило законам сохранения энергии и импульса и повергло исследователей в шок.
Нильс Бор был уже готов признать за элементарными частицами "право" нарушать законы сохранения.
Спасая законы сохранения, Вольфганг Паули предположил, что недостающую энергию уносит частица, которую нельзя обнаружить в принципе, хотя и считал, что этим самым "сделал что-то ужасное".
В одном кубическом сантиметре вещества содержится примерно 1023 атомов. Радиус ядра около 10-12 см, а площадь поперечного сечения - 10-24 см2. Суммарная площадь всех ядер, разложенных на плоскости, 0,1 см2, 1/10 площади. А эффективное сечение взаимодействия нейтрино с веществом в миллиард (10-9) раз меньше. На рисунке эту площадь воспроизвести невозможно: для этого пришлось бы разделить каждую сторону квадратика более чем на 10 000 отрезков.
Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Только пройдя сквозь слой свинца такое же расстояние, как от Солнца до центра нашей Галактики, пучок нейтрино наверняка прореагирует целиком.
Беседы об основах наук
НЕЙТРИНО
В предыдущем номере журнала (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.) рассказывалось о драматических событиях, связанных с историей открытия нейтрино буквально "на кончике пера". Предсказанные теорией уникальные свойства этой частицы - отсутствие заряда и массы, феноменальная проникающая способность - приводили к неутешительному выводу: если нейтрино и удастся обнаружить в эксперименте, то очень и очень не скоро.
ПОЙМАТЬ ЖИВЫМ!
Отец "чернильного" нейтрино Вольфганг Паули был уверен, что "при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено. Однако уже 14 июня 1956 года он получил телеграмму от руководителя американской экспериментальной группы Фредерика Рейнеса: "Счастливы сообщить Вам, что мы определенно детектировали нейтрино, эффективное сечение взаимодействия равно (0,94±0,13)10-43 см2".
Двойное торжество - нейтрино есть и интенсивность его взаимодействия с протоном отлично совпадает с расчетами по теории Ферми.
Команда Рейнеса получила первый положительный результат еще в 1953 году, но три года группа тщательно проверяла собственное открытие на более совершенном детекторе и более мощном источнике. Как же был достигнут столь фантастический результат?
Для регистрации результата взаимодействия гипотетического нейтрино с протоном была выбрана реакция "обратного" b-распада. По правилам квантовой механики, если существует реакция с рождением нейтрино, то должна существовать (если не запрещена законами сохранения) и "обратная" реакция с его поглощением и превращением протона в нейтрон с выделением позитрона. Таким образом, если при включенном источнике искомых нейтрино установка (большая "протонная" мишень с детектором) "сообщает" о появлении пар (позитрон и нейтрон), а при выключенном источнике "молчит", логично полагать, что виновником такого события стало взаимодействие нейтрино с протоном.
Мишень с большим числом протонов создать легко: годится любая водородсодержащая жидкость (ядро атома водорода и есть протон), например вода, в каждом кубическом сантиметре которой содержится около 1024 протонов. Зарегистрировать позитрон тоже не сложно. Родившись, он почти мгновенно растратит свою энергию на электромагнитные столкновения с веществом детектора, остановится и в покое аннигилирует с первым попавшимся электроном вещества мишени. В процессе аннигиляции родятся два g-кванта, каждый из которых будет уловлен одним из многочисленных фотоумножителей детектора.
На нейтрон тоже можно придумать ловушку. Ядра кадмия, например, "с удовольствием" поглощают нейтроны, а рожденное ядро его изотопа излучит каскад g-квантов. Если в воде мишени растворить соль кадмия, то родившийся в b-распаде нейтрон, попутешествовав в растворе некоторое время, встретит ядро кадмия, поглотится и испустит несколько (в среднем три) g- кванта. Уловленные фотоумножителями, они и будут свидетельствовать о появлении нейтрона.
Огромная трудность эксперимента заключается в том, что в детектор попадает очень много "безродных" g-квантов, не имеющих никакого отношения к искомой реакции. Их источники - космические лучи, радиоактивные элементы материала мишени и детектора. Ложные срабатывания детектора физики называют фоном. В опытах, где число искомых событий мало, необходимо надежно защитить детектор от фона. А помогают сделать это характеристики сигнала от истинного нейтринного события. Они должны быть так же неповторимы, как отпечатки пальцев, чтобы среди моря случайных (фоновых) g-квантов и нейтронов можно было узнать "истинный нейтринный портрет". В нашем случае два g-кванта от аннигиляции электрона с позитроном в покое имеют энергию, равную сумме масс электрона и позитрона, и делят ее ровно пополам, разлетаясь в противоположные стороны, - так велит закон сохранения энергии и импульса. Три g-кванта от захвата нейтрона кадмием тоже имеют известные энергии, но появятся только спустя некоторое (измеренное в других опытах) время, необходимое для того, чтобы нейтрон замедлился до подходящей для захвата кадмием энергии.
Таким образом, искомое нейтринное событие должно выглядеть так:
1. Счетчики фиксируют два одновременных g-кванта с энергиями 0,511 эВ (эта энергия соответствует энергии массы покоя электрона или позитрона) в противоположных направлениях,
2. После этого счетчики g-квантов запираются, чтобы "чужаки" не мешали, и вновь открываются только через несколько тысячных долей секунды (на время путешествия нейтрона до поглощения кадмием), чтобы зафиксировать сигнал от трех g-квантов с определенными энергиями.
Такого набора признаков (физики называют их критериями отбора) достаточно, чтобы уверенно распознать нейтринное событие, отличив его от фонового.
Детектор готов, и пора рассказать об использованном Рейнесом нейтринном источнике, который обеспечивал успех эксперимента. То, что в 30-е годы Паули и представить не мог, стало реальным в результате гигантского скачка в прикладной ядерной физике, инициированного войной с фашизмом.
В 1944 году в США Энрико Ферми впервые осуществил цепную реакцию деления урана, а в 1945 году американцы испытали первую ядерную бомбу. В процессе деления нейтронами 235U образуется пара осколков-ядер с меньшей суммарной массой, уносящих освобождающуюся при делении энергию около 200 МэВ. Как правило, они нестабильны и превращаются в стабильные (или долгоживущие) ядра через цепочку последовательных b-распадов, в каждом из которых, по гипотезе Паули, должно рождаться нейтрино с энергией несколько МэВ. Осколка - два, цепочек - в среднем три. Итого в каждом делении возникает в среднем 6 нейтрино, а в ядерном реакторе мощностью 1 гигаватт ежесекундно образуется около 1020 этих частиц. Вот с таким источником можно ловить нейтрино.
И все-таки это был отчаянный замысел. Рейнес с большой командой физиков и инженеров назвали его "Проект Полтергейст", ассоциируя имя с устойчивым (до сегодняшнего дня!) средневековым предрассудком, будто иногда происходят события немыслимые без участия невидимого "суматошного духа" (polterig - суматошный, шумный; geist - дух). На него (по-нашему - барабашку) списывают летающие предметы, иногда деньги, падения с кровати, уличные беспорядки, порчу сантехники, чаще всего унитазов. А в марте 1662 года в городке Тедуорт графства Уилтшир (Англия) обиженный на судью за неправедный приговор местный барабашка зачем-то засунул в пасть судейской лошади копыто ее задней ноги.
Проектируя эксперимент, Рейнес даже хотел использовать в качестве нейтринного источника взрыв ядерной бомбы. Однако реальный эксперимент был выполнен на ядерном реакторе, который облучал мишень потоком около 1013 нейтрино на квадратный сантиметр за секунду. Мишенью служил 400-литровый бак с растворенным в чистейшей воде хлористым кадмием CdCl2, а детектором - сотня фотоэлектронных умножителей, покрывающих всю поверхность "бочки" Рейнеса. В тысячах приходящих сигналов можно было распознать 40 событий протон-нейтринных взаимодействий в сутки. Эксперимент 1956 года длился около трех месяцев. Его результат и был изложен в телеграмме. Вольфганг Паули проиграл пари, быть может, самое счастливое пари в его жизни.
С тех пор нейтрино "видели" многие, потому что с 1956 года пролился...
ЗВЕЗДНЫЙ ДОЖДЬ ОТКРЫТИЙ
Параллельно с группой Ф. Рейнеса поимкой нейтрино занималась группа Р. Дэвиса. Идею их опыта еще в 1946 году предложил Бруно Понтекорво. Его идея состояла в следующем. Известен вариант реакции b-распада: захват ядром изотопа аргона 37Ar собственного орбитального электрона (К-захват) с испусканием нейтрино 37Аr + e_ (r) (r)37Cl+n. Должна быть и обратная реакция захвата нейтрино изотопом 37Cl с образованием аргона 37Ar. Фиксация "беспричинного" образования атомов аргона в чисто хлорной мишени, облученной потоком нейтрино из реактора, означало бы фиксацию самого нейтрино. Однако в 1956 году Р. Дэвис опубликовал результат: реакция не идет. Если этот факт объединить с открытием нейтрино Рейнесом, то вывод будет единственным: нейтрино из К-захвата и реакторное нейтрино из b-распада различны. Они соотносятся как частица (n) и античастица (n).
Спустя год в эксперименте группы Ц. Ву с b-распадом 60Co было показано, что в реакциях c участием нейтрино (слабых взаимодействиях) нарушается зеркальная симметрия (закон сохранения четности). Оказалось, что в мире элементарных частиц правое и левое не условные названия, а внутреннее свойство частиц. Интересно, что это фундаментальное открытие могло бы состояться на 30-40 лет раньше, если бы не теоретическое предубеждение в нерушимости право-левосимметричного мира. Ведь все нужное для опыта оборудование было в распоряже нии экспериментаторов еще в 30-е годы. От "пустой" траты времени на проверку удерживали вера в законы симметрии и, может быть, то, что в такую возможность не поверил В. Паули: "Бог не может быть слаборуким левшой". И вот под напором эксперимента принцип симметрии рухнул в одном из прочнейших звеньев!
В 1962 году Леон Ледерман экспериментально доказал, что электронное нейтрино, рождаемое в паре с позитроном, отличается от мюонного, которое рождается в паре с мюоном. А когда в 1975 году М. Перл открыл третий заряженный лептон t±, стало ясно, что существует и третье нейтрино - таонное nt. И все они имеют соответствующие античастицы.
Чтобы объяснить появление всех этих видов нейтрино, пришлось ввести еще одну квантовую характеристику - так называемое лептонное число. Оказалось, что при любом взаимодействии сумма всех лептонных чисел до взаимодействия и после него должна сохраняться. Казалось бы, выведен еще один фундаментальный закон, определяющий, какие реакции могут идти, а какие нет. Однако все оказалось не так просто...
ОЖИДАЕМЫЕ "СЮРПРИЗЫ"
Только-только с помощью сохраняющихся лептонных чисел физики навели порядок в свойствах нейтрино: запретили то, что "не положено", и разрешили все остальное, как тут же принялись разрушать такой красивый и необходимый закон. Видимо, после падения зеркальной симметрии (закона сохранения четности) повеял ветер свободы от запретов. Зачинщиком опять был Бруно Понтекорво. В 1958 году, уже работая в Дубне, он заметил, что никакой принцип, кроме закона сохранения лептонного числа, не запрещает нейтрино одного типа (аромата) самопроизвольно превратиться в нейтрино иного аромата. А если вдруг электронное нейтрино превратится в мюонное, то о сохранении лептонного заряда нейтрино надо прочно забыть.
Как же представить себе это превращение? В русских сказках Иван-царевич (или дурак) брякнулся об землю, обернулся соколом, и никто этому не удивился. Потому что "бряк об землю" - мало ли что может случиться при столкновении. А чтобы без "бряк", на ровном месте - такое случается только в мире частиц. Причем возможно это только в том случае, если частица представляет собой квантово-механи ческую "смесь" других частиц. Экспериментально такое явление было обнаружено для К0-мезона: он в вакууме, без какого-либо взаимодействия, на лету, самопроизвольно превращается в анти-К0. Называется это явление осцилляцией - периодическим превращением частицы из одного вида в другой.
Вот и любое нейтрино, например электронное ne, можно представить "состоящим" из трех других. Назовем их, скажем, "красным", "желтым" и "синим". И у каждого из этих "цветных" нейтрино имеется определенная масса. Это значит, что в свободном пространстве они станут двигаться с разной скоростью. А поскольку каждая частица еще и волна, то на разных расстояниях от точки рождения волны станут складываться по законам интерференции, "собираясь" в нейтрино разных типов - электронное, мюонное или таонное.
Можно провести такую аналогию: каждый человек обладает несколькими качествами, пусть это К1, К2 и К3. Они на лбу не написаны и непосредственно узнать их нельзя. Но человек совершает разные, смотря по обстоятельствам, действия: пусть Д1, Д2 и Д3, следя за которыми, можно узнать качества. Каждое качество (аналог "цвета" нейтрино) узнается по сумме (смеси) действий (аналог его типа, или аромата): К1 - сумма всех Д с одним набором коэффициентов, К2 - сумма тех же Д, но с другими коэффициен тами, и К3 аналогично. Легко понять, что и в каждом действии замешаны человеческие качества. Если в 8 часов утра человек совершает некоторый поступок (т. е. проявляет одну совокупность качеств), то в 8 вечера может проявиться другая совокупность и он совершит иной поступок. А "объективный" наблюдатель скажет: "Был один человек - стал другой".
Осцилляции будут обнаружены непременно, если нейтрино обладает массой... Есть ли она?
ПЕРВЫЙ И НЕ ПОСЛЕДНИЙ ВОПРОС
Уже семьдесят лет этот вопрос стоит укоризной и пятьдесят лет исследуется экспериментально. То, что масса нейтрино мала (по меркам элементарных частиц), догадывались с самого начала. Но какова она?
Нет способов взвесить незаряженное нейтрино, как это делалось с электроном: Р. Милликен компенсировал гравитационную силу кулоновской. Невозможно непосредственно измерить скорость нейтрино на фиксированной пролетной базе. Определение массы нейтрино может быть основано только на косвенном ее проявлении. Первое, на что обратили внимание, это зависимость формы спектра электронов в b-распаде от конечной массы нейтрино (в нем участвует антинейтрино, но массы частицы и античастицы тождественно равны). Как уже говорилось, электронам в трехчастичном распаде доступны любые энергии от нуля до некоторой граничной (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). Пришло время указать точно, какова ее величина.
Опять поможет закон сохранения энергии. Начальное состояние - покоящееся ядро, его полная энергия равна mpc2, т. е. массе родительского ядра. Конечное состояние - движущиеся дочернее ядро, электрон и нейтрино. Полная энергия этого состояния есть сумма масс частиц и их кинетических энергий. Кинетической энергией тяжелого (ядро в тысячи раз тяжелее электрона) дочернего ядра можно пренебречь, и вся кинетическая энергия делится между электроном и нейтрино различным образом от одного распада к другому.
Максимально доступная для электрона энергия возникнет в таком распаде, где нейтрино родится в покое. Это и будет граничной энергией спектра. Граничная энергия электрона выражается с хорошей точностью только через массы частиц, а массу нейтрино можно определить через атомные веса, массу электрона и измеренную граничную энергию распада. С хорошей точностью граничную энергию измерить трудно, и такой простой метод годится только для грубой оценки. Именно это имел в виду В. Паули, когда говорил, что из атомных весов видно, что масса нейтрино не больше массы электрона.
Для более точного определения массы необходимо с высокой точностью измерить форму спектра вблизи граничной энергии. Его график приведен на стр. 28 первой части статьи (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). К сожалению, нарисован он с ошибкой: спектр двухчастичного распада (а) должен соответствовать не максимальной, а граничной энергии электронов трехчастичного распада (б). График будет нагляднее, если на оси ординат отложить не N, а ЦN - такое представление называется графиком Кюри. На рисунке показан ход безмассового спектра: прямая линия и ход спектров для нейтрино с массами 10 и 20 эВ. Хорошо видно, что, если энергия электронов заметно меньше граничной, все кривые неотличимы - масса нейтрино не проявляется. Но как только энергия приближается к граничной величине, ход спектра резко меняется и график стремительно "ныряет" к нулю. Вот этот "нырок" и должен уловить экспериментатор. Чем меньшую массу нейтрино мы хотим уловить, тем меньше область, где безмассовый спектр отличается от "массивного", и трудность эксперимента резко возрастает.
Первый эксперимент по определению массы нейтрино был выполнен Б. Понтекорво в 1948 году с результатом mn < 1200 эВ. С тех пор, постепенно улучшая качество спектрометра и источника, понижая фон, экспериментаторы продвигают верхнюю границу массы нейтрино все к меньшим и меньшим значениям. Был момент (1980 год), когда показалось, что получен сигнал об изменении формы спектра, то есть указание, что масса нейтрино не меньше 14 эВ. С огромным энтузиазмом несколько групп в США, Швейцарии, Японии, Германии принялись за проверку, и оказалось, что за искажение формы спектра отвечает не масса нейтрино, а неучтенные особенности источника распадов. Самый точный эксперимент сейчас продолжается в Институте ядерных исследований под руководством В. Лобашова. Пока обнародован удивительный результат: если непосредственно (без дополнительных предположений) трактовать измеренный спектр, придется сделать вывод, что квадрат массы нейтрино отрицателен ! Тут уж есть о чем задуматься и над чем поработать. А пока с уверенностью можно сказать, что в результате этого замечательного эксперимента получен рекордно низкий предел возможной массы электронного антинейтрино: mn < 4,5 эВ.
А что дают другие методы?
ПОИСКИ ОСЦИЛЛЯЦИИ И ДА ЗДРАВСТВУЕТ СОЛНЦЕ!
История поисков осцилляций тоже полна драматизма. Первым объявил в 1980 году о наблюдении осцилляций сам открыватель нейтрино Ф. Рейнес. Затем были и другие обнадеживающие результаты, но каждый раз последующие эксперименты на реакторных и ускорительных пучках нейтрино опровергали положительные сообщения. И до сих пор в многочисленных экспериментах не получен утвердительный ответ. Но есть нерукотворный источник нейтрино: это источник нашей жизни - Солнце.
Если бы удалось измерить поток солнечных нейтрино на Земле, то, воспользовавшись формулой для вероятности электронному нейтрино на пути от Солнца до Земли остаться самим собой, мы могли бы проверить гипотезу существования нейтринных осцилляций.
Захватывающие перспективы подвигли физиков на фантастический эксперимент. Первым был американец Дж. Дэвис. В штате Южная Дакота есть соляная шахта Хоумстейк глубиной 1455 м. Туда почти не проникают космические лучи, которые могут породить фоновые нейтрино, никакого отношения к Солнцу не имеющие. В этой шахте и помещается детектор солнечных нейтрино. Он представляет собой огромный бак, а в нем 615 тонн Cl4C2 (говорят, что это обычное моющее средство). Для захвата нейтрино служит та самая реакция, которая в 1956 году не шла у Дэвиса с антинейтрино от реактора. С нейтрино она должна идти, и сигналом взаимодействия с хлором будет образование атомов радиоактивного аргона. Все очень просто, пока мы не принялись за числа. Зная величину потока солнечных нейтрино, сечение слабого взаимодействия ("10-43 см2) и количество атомов хлора (2,16ґ1030), легко сосчитать, что за сутки в баке Дэвиса должно образоваться около двух атомов аргона! Давайте же почувствуем, насколько надо верить в разум, в предсказатель ную силу истинной науки и презирать досужую околонаучную болтовню о телекинезе, барабашках, "микролептонах", способных непредсказуемым образом утащить или добавить штуку-другую искомых атомов, чтобы не дрогнуть перед задачей достать и пересчитать полсотни атомов аргона из 1030 других атомов.
Дэвис со своей командой научились делать это и были вознаграждены. С 1970 года они получают стабильный результат: число зарегистрированных солнечных нейтрино оказалось в четыре раза меньше того, что предсказывают "солнечные теоретики". Куда же девались остальные 3/4? Может быть, часть образовав шихся атомов аргона теряется при сложной химической процедуре или не менее сложной процедуре их пересчета? За 29 лет эксперимента эти процедуры непрерывно улучшались и проверялись, но результат - 1/4 - существенно не изменился. Может быть, ошиблись теоретики в расчетах ожидаемого числа нейтрино?
Проверка этого предположения вызвала к жизни похожий, но принципиально иной эксперимент. Дело в том, что реакция с хлором идет, только когда энергия нейтрино превысит порог 0,814 МэВ. А это значит, что детектор Дэвиса чувствителен только к бериллиевым и борным нейтрино. Максимальная энергия нейтрино водородного протон-протонного цикла - 0,42 МэВ - слишком низка. Хорошо бы построить детектор, реагирующий именно на эти нейтрино: их много больше, и для них предсказания теоретиков значительно точнее.
Выход в 1966 году нашел молодой теоретик из Института ядерных исследований Вадим Кузьмин. Он указал на то, что реакция поглощения нейтрино изотопом галлия 71Ga c образованием радиоактивного германия идет с порогом всего лишь 0,233 МэВ, а следовательно, пригодна для регистрации и водородных, и всех иных нейтрино солнечного спектра. Только в 1991 году начал действовать российско-американский Ga-Ge детектор в Баксанской (Северный Кавказ) нейтринной лаборатории (эксперимент SAGE). Мишень для солнечных нейтрино из 57 тонн металлического галлия расположена в туннеле под горой. Чуть позже заработал аналогичный детектор в подземной лаборатории Гран-Сассо, содержащий 30 тонн галлия в виде раствора GaCl3 (эксперимент GALLEX). И в этих экспериментах предстояло извлекать накопившиеся в три месяца 30 атомов германия. Но чему удивляться после Дэвиса?..
Оба эксперимента дали согласующиеся результаты: число зарегистрированных солнечных нейтрино в 2 раза меньше ожидаемого. Опять меньше, опять пропажа и опять сомнения в процедурах извлечения. В физике сомнения разрешаются только экспериментально, иногда дорогой ценой. В данном случае цена была немалая. Обе группы создали земные источники нейтрино из накопленного радиоактивного изотопа хрома. Интенсивность каждого источника была подобна интенсивности солнечных нейтрино на поверхности Земли, но с точно рассчитанным ее значением.
Контрольные извлечения атомов германия, образованного "искусственным Солнцем", в обоих экспериментах подтвердил и отсутствие ошибок в процедурах извлечения.
Последнюю точку в "проблеме солнечных нейтрино" - так она называлась с первых работ Дэвиса - поставил япон- ский эксперимент "Камиокандэ" (см. "Наука и жизнь" № 12, 1998 г.). Физики этой группы пошли по иному пути. В огромном детекторе они регистрировали результат упругого рассеяния нейтрино на атомарных электронах. Тело детектора, расположенного в шахте Камиока, - 1000 тонн сверхчистой воды; сигнал - свет от черенков-ского излучения электронов отдачи дает информацию об энергии электронов и направлении движения. Последнее особенно важно, ибо позволяет судить о направлении движе ния налетающего нейтрино и отобрать только те события, в которых нейтрино летели в направлении Солнце - Земля. Еще одна особенность эксперимента "Камиокандэ" - он регистрирует только нейтрино борные. Последний результат: отношение экспериментального числа к ожидаемому - 0,42.
Все четыре солнечных эксперимента указывают на "исчезновение" нейтрино. Почему же физики не утверждают, что осцилляции открыты? Да потому, что не удается одним набором параметров описать полную совокупность данных всех четырех "солнечных" экспериментов. Вполне может быть, что Солнце ведет себя не так, как ему предписывает Стандартная солнечная модель. Проблема солнечных нейтрино еще ждет своего разрешения.
ЗАДАНИЕ НА ЗАВТРА
Много раз в истории физики казалось, что вот-вот окончательно прояснится картина физического мира и физикам придется освоить что-то иное, например биологию (см. "Наука и жизнь" №№ 11 и 12, 1999 г.). Конечно, биология - одно из самых "важных и интересных", по выражению академика В. Л. Гинзбурга, направленией современной науки, но вряд ли такой момент уже наступил. Скорее, наоборот - нейтринное поле еще "пахать и пахать" не один год. Представьте себе такой реальный проект осцилляционного эксперимента: пучок нейтрино от ускорителя в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) направляется на детектор СуперКамиокандэ (Япония) и проходит расстояние 8 752 километра вблизи земного ядра. Что покажет этот эксперимент? Или для измерения потоков космических нейтрино в качестве мишени-детектора использовать весь Байкал с его чистой водой? Еще более экзотичный проект Аманда осуществляется в Антарктиде. Пробурив на два километра материковый лед, физики добрались до чистейшего реликтового льда, свободного от неоднородностей, радиоактивности и биологической жизни, которая своим излучением так мешает сверхчувствительным фотоэлементам, предназначенным для регистрации иного света. Черенковский свет в антарктическом детекторе распространяется на сотни метров без существенного поглощения. Над этими и другими подобными проектами уже работают команды из сотен физиков и инженеров. Здесь могут потрудиться и сегодняшние студенты.
А вот задание "на завтра" для школьников. Согласно модели Большого взрыва, Вселенная должна быть заполнена реликтовыми нейтрино, доставшимися нам в том виде, какими они были через ОДНУ секунду после Начала. Их много - около 500 штук в 1 куб. см. Насколько ближе и понятней была бы нам картина Мира, если бы удалось найти экспериментальное доказательство "нейтринного изобилия".
На эту тему 30 лет назад размышлял студент МГУ Витя Шварцман и придумал способ столь замечательный, что после его ранней смерти академик Я. Зельдович, учитель В. Шварцмана, и члены-коррес понденты С. Герштейн и В. Брагинский, заново рассмотрев идею Шварцмана, нашли, что она ОСУЩЕСТВИМА. Когерентное рассеяние реликтовых нейтрино на пористом веществе передает импульс массивной мишени, которая приобретет ускорение около 10-22 см/сек2. Величина небольшая, но не существует никакого физического принципа, ограничивающего точность измерения ускорения. Сегодня достигнута точность 10-16 см/сек2. Требуется улучшить ее "только" в миллион раз. Достойная задача для молодого, смелого ума.
А начать надо с чтения книг. Для начального математического умения (а без него не обойтись даже на ранней стадии) подходит уже упоминавшаяся замечательная книга Я. Б. Зельдовича "Высшая математика для начинающих". В ней нет "суровой" математической строгости, но зато она идеальна для случая, когда "чешутся руки" на физическую задачку, и нет сил отложить ее до прочтения многих математических томов. Книги по физике для школьников написаны выдающимися специалистами и одновременно изобретательными популяризаторами. Если вам интересна физика элементарных частиц и, в частности, физика нейтрино, прочтите Г. И. Копылова "Всего лишь кинематика", Л. Б. Окуня "a, b, g... Z", Я. Б. Зельдовича и М. Ю. Хлопова "Драма идей в познании физики", И. Д. Новикова "Как взорвалась Вселенная", А. А. Борового "Как регистрируют частицы" -книги библиотеки "Квант". Прекрасна книга С. Вайнберга "Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной" с дополнениями Я. Б. Зельдовича, Т. Редже "Этюды о Вселенной", Е. Намбу "Кварки".
Доктор физико-математических наук В. НОЗИК.
ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
НЕЙТРИНО И СОЛНЦЕ
Без нейтрино не было бы жизни, потому что термоядерное горение водорода (Солнце - гигантский водородный шар) невозможно без участия нейтрино. Солнечные нейтрино в основном образуются в трех реакциях:
р + р(r)d + e+ + ne , Еnгр =0,42 МэВ (водородные ne );
7Ве + е_ (r) 7Li + ne, Еn = 0,861 МэВ (бериллиевые ne);
8В(r)8Ве + е+ + ne, ЕЕnгр = 14,06 МэВ (борные ne).
Каждую секунду Солнце испускает 1,8ґ1038 электронных (и только электронных!) нейтрино. Все они практически без поглощения выходят на поверхность Солнца, и часть из них достается Земле. Теоретики, создавшие Стандартную солнечную модель, утверждают, что они с большой точностью знают число нейтрино, испускаемых в каждой реакции и ежесекундно падающих на каждый квадратный сантиметр Земли:
водородные нейтрино - 6,01ґ1010;
бериллиевые - 0,47ґ1010;
борные - 5,81ґ106.
(Данные разных "солнечных" теоретиков несколько расходятся, и здесь приведены расчеты Дж. Бакала. "Нейтринная астрофизика". - М.: Мир, 1993.)
..
~
Если в точке О зафиксировано мюонное нейтрино, летящее в направлении точки Р, это значит, что из О летят три "цветные" компоненты, интенсивность которых пропорциональна коэффициентам их смешивания в мюонном нейтрино. Элементарные частицы можно представлять себе как волны, поэтому в каждой точке на своем пути частицы-волны будут иметь и разные амплитуды. И может оказаться так, что в точке Р сложится вовсе не мюонное нейтрино, а электронное, а в точке Р1 - таонное.
Академик Бруно Понтекорво, итальянский физик, с 1950 года работал в нашей стране. В 1946 году предложил эксперимент по определению массы нейтрино, который неодно-кратно проводился в разных странах со все возрастающей точностью. (См. "Наука и жизнь" № 12, 1963 г.).
Первооткрыватель нейтрино Фредерик Рейнес (справа) с участниками "Проекта Полтергейст". 1953 год.
Исследователи нашли только одно рациональное объяснение происходящему. Известно, что Вселенная заполнена реликтовыми нейтрино очень малой энергии; их плотность - около 500 частиц на кубический сантиметр. Если в плоскости эклиптики имеется слой нейтрино высокой энергии и плотностью 1015 см-3, то Земля, двигаясь по орбите, наклоненной к этой плоскости на небольшой угол, два раза в год входит в плотное нейтринное "облако"(б). Интенсивность реакций с участием нейтрино возрастает в миллионы раз, и это воспринимается как повышение граничной энергии взаимодействия. Но причины и механизмы образования такого плоского "облака" нейтрино остаются непонятными.

Самый точный на сегодняшний день эксперимент проделан под руководством В. Лобашова в Институте ядерных исследований (ИЯИ). Измерения показали, что график Кюри в области граничной энергии загибается не вниз, а вверх (а). Математически это означает, что квадрат массы нейтрино должен быть отрицательным. Физического смысла такой результат не имеет, поэтому исследователи продолжали непрерывные наблюдения и выяснили, что эффект возникает и пропадает с периодичностью в полгода.

График Кюри. По горизонтали отложена энергия электронов, возникающих в трехчастичном распаде, по вертикали - корень квадратный из числа этих электронов. Если нейтрино не имеет массы, график остается прямолинейным до значения граничной энергии (а). Если у нейтрино есть масса, то график круто падает к нулю, не доходя до граничного значения на величину, равную энергии нейтрино (б). Экспериментатор должен уловить этот "нырок", возникающий в области очень малых энергий.

Няма коментари: