Неуловимые нейтрино или гости соляриса — предвестники новой физики

Статья продается только в составе журнала

— Михаил Дмитриевич, почему исследования нейтрино, этой трудноуловимой частицы с крохотной массой, становятся все важнее для современной физики? — Есть несколько причин. Нейтрино — это элементарная частица, которая входит в семейство лептонов — частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. Но еще она не имеет заряда, а значит, не участвует в электромагнитных взаимодействиях и не входит в состав окружающего нас вещества. Такая частица может быть нейтральной, т.е. тождественной собственной античастице — антинейтрино, что отличает ее от других заряженных элементарных частиц. Кроме того, до настоящего времени нам не удается измерить массу нейтрино. Существуют и другие удивительные свойства и явления, связанные с нейтрино, которые невозможно объяснить с помощью современной теории — стандартной модели частиц. Это первая причина актуальности исследований. Во-вторых, нейтрино, которое очень слабо взаимодействует со средой, оказывается весьма полезным инструментом для междисциплинарных исследований крупных объектов — Солнца, Земли и т.д. Нейтрино может ≪без искажений≫ проходить через большие объемы вещества и тем самым сохранять для исследователя информацию о внутренней структуре этих объектов. И, наконец, третий важный аспект — это глубокая связь нейтринной физики с другими областями науки, такими как астрофизика или космология: мы будем лучше понимать свойства материи и Вселенной, именно изучая фундаментальные свойства нейтрино. — Что мы сейчас знаем про массу нейтрино? Лет 15 назад считалось, что ее нет; теперь она есть. Для человека постороннего выглядит путаницей, вряд ли способной внести ясность в фундаментальные свойства материи. — Масса нейтрино — один из центральных вопросов в физике нейтрино. Сейчас мы уверены, что она есть, но почему такая маленькая? Все объяснения этого факта выходят за рамки стандартной модели. Наиболее популярная гипотеза заключается в следующем. Как известно, у элементарных частиц есть такое квантовое число, как спин. И для некоторых взаимодействий очень важно, как направлен этот спин — по движению частицы или против. Для нейтрино спин направлен против движения, и такие частицы мы называем левосторонними. Оказывается, что как раз в слабых взаимодействиях могут участвовать только они. Это приводит к тому, что мы наблюдаем лишь левосторонние нейтрино. Но если предположить, что правосторонние нейтрино все-таки существуют и обладают очень большой массой, то в квантовой теории разработан специальный механизм, действие которого связывает ≪правые≫ и ≪левые≫ состояния и обеспечивает малую массу экспериментально наблюдаемых нейтрино. Так что вопрос массы нейтрино очень сложен. И, возможно, он может быть причиной дисбаланса материи и антиматерии в природе, а это одна из глубинных проблем современной науки. Однако про массу нейтрино мы знаем, что ее значение, повидимому, составляет ничтожные доли электронвольта, хотя экспериментальное ограничение для массы электронного нейтрино — примерно 2 эВ. Для сравнения: аналогичная цифра для ближайшего соседа по массе, электрона, — уже половина мегаэлектронвольта. — Откуда получаются такие оценки по массе нейтрино? — Еще в середине прошлого века стали наблюдать солнечные нейтрино, поток которых оказался гораздо меньше предсказанной величины. Было много гипотез на этот счет. Бруно Максимович Понтекорво, который тогда работал в Дубне, предложил идею, согласно которой нейтрино может переходить из одного типа в другой. Этот процесс теперь широко известен как нейтринные осцилляции. Что это такое? Есть как минимум три типа нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это разные частицы с разными массами, но при свободном распространении они могут трансформироваться друг в друга, т.е. если сначала на ускорителе создали, например, пучок мюонных нейтрино, то при удалении от точки рождения уже можно наблюдать их переходы в электронные или таунейтрино. Такие превращения невозможны, если у нейтрино нет массы, и они же дают оценку для разницы квадратов масс разных поколений нейтрино. Вопрос теперь только в абсолютных значениях этих величин.

Подробнее читайте на страницах журнала "В мире науки" №5_2014