Нейтрино в лаборатории и во вселенной

В последнее время все чаще и чаще не только в солидных научных журналах, но и на страницах газет и популярных изданий читатель встречается с "таинственной" элементарной частицей, носящей довольно странное название - "нейтрино". Что же это за частица, какую роль она играет в физике элементарных частиц и во Вселенной?
Начнем с того, что объясним ее название.
Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны - "кирпичики", составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.
В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули по причинам, которые я объясню ниже, пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, "маленький нейтрон". Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами:
- Называйте его "нейтрино"!
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание "ино" соответствует русским суффиксам "чик" или "ушк". Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать "маленький нейтральный", или просто "нейтрончик".
Так нейтрино было изобретено Паули, а окрещено Ферми.

Почему физики-теоретики придумали нейтрино

Как часто бывает в науке, новые идеи выдвигаются тогда, когда в рамках существующих знаний возникает парадокс. "Изобретение" нейтрино также было вызвано кажущимся парадоксом, обнаруженным при экспериментальном исследовании так называемого процесса бета-распада. Этот процесс состоит в самопроизвольном испускании отрицательных электронов (е-) атомными ядрами. Когда нейтрино еще не было "изобретено", предполагали, что бета-распад ядра Z, имеющего заряд + Ze, происходит по схеме
Z(Z+1)+е-.
Но оказалось, что энергии вылетающих электронов в этом процессе не строго определенные, а самые разнообразные. В большинстве случаев энергии явно не хватало по сравнению с той, какую они должны были теоретически иметь. Создавалось впечатление, что энергия куда-то исчезает, как будто нарушался закон сохранения энергии. Трудности были настолько серьезными, что некоторые крупные физики предлагали даже отказаться от этого фундаментального закона.
Кажущееся несохранение энергии, однако, имело довольно странный характер. Действительно, если энергия не сохраняется в процессе бета-распада, то мы должны были бы ожидать, что иногда энергии электронов будет не хватать, а иногда появится "лишняя". Однако оказалось, что "выигрыша" энергии не бывает.
Таким образом, не естественное стремление сохранить незыблемыми законы физики, а факты, которым в науке всегда принадлежит последнее слово, заставили встать на защиту закона сохранения энергии. Но как?
"Изобретатель" нейтрино рассуждал так. Кажущееся несохранение энергии обусловлено просто тем, что вышеприведенная схема неправильно описывает процесс бета-распада. В нем должна участвовать ненаблюдаемая на опыте нейтральная (и потому практически необнаружимая) частица, уносящая "исчезнувшую" энергию. Она и была названа нейтрино (). Таким образом, схема бета-распада выглядела так:
Z(Z+1)+е-+
(разрешите мне пока не давать объяснения значку "~" над символом ).
И хотя выделяющаяся при этом суммарная энергия всех частиц имеет точно определенную величину, она распределяется между продуктами распада так, что в разных случаях электрон получает разные ее порции. Самый фундаментальный процесс бета-распада - распад нейтрона будет поэтому описан схемой
np+е-+.
Внутри атомных ядер протон также может превращаться в нейтрон с испусканием положительного электрона (или позитрона) и нейтрино:
pn+е++.
Заметим здесь, что с логической точки зрения тот тип рассуждений, который привел Паули к теоретическому предсказанию существования нейтрино, часто встречается при решении даже самых простых парадоксов. Вот, например, старый парадокс с цирюльником. В маленьком городке, скажем, в Дубне на Волге, живет парикмахер, который подстригает всех мужчин, кто не стрижет самих себя. Спрашивается, стрижет ли себя сам парикмахер? Ясно, что как положительный, так и отрицательный ответ на этот вопрос ведет к противоречию. Парадокс решается, если сообразить, что нет и не может быть такою парикмахера. И если вы внимательно проследите за рассуждениями Паули, вы увидите, что аргументы в пользу существования нейтрино в природе очень похожи па те, которые приводятся против существования нашего парикмахера в Дубне.
Итак, нейтрино - это частица, которая при бета-распаде уносит часть энергии. Так предполагали физики-теоретики, которые с самого начала изобрели ее как "неуловимую" частицу. И сразу же были предсказаны свойства повой частицы: она должна быть электрически нейтральной, очень проникающей и чрезвычайно малой по массе. Иначе экспериментаторам было бы нетрудно обнаружить ее, а это оказалось совсем не просто. Последнее свойство - крайне малая масса - согласно теории относительности приводит к тому, что нейтрино не может находиться в состоянии покоя: оно всегда движется со скоростью света.
Схема бета-распада нейтрона и протона
После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, физики попытались найти и другие доказательства его присутствия в бета-распаде. Как известно, при превращениях частиц, как и при любых физических процессах, происходящих в какой-нибудь системе, сохраняется не только энергия, но и количество движения, или импульс. Закон сохранения количества движения, вероятно, известен читателю: на нем основан, например, принцип действия ракеты.
Если нейтрон, испытывающий бета-распад, неподвижен, то его импульс равен нулю. Значит, и суммарный импульс всех частиц - продуктов распада - также должен быть равен нулю. Но в многочисленных опытах, первый из которых еще в 1934 г. поставил советский физик Александр Ильич Лейпунский, было показано, что суммарный импульс электрона и ядра отдачи (Z+1) при бета-распаде ядра Z не равен нулю. Это подтверждает гипотезу о нейтрино: неуловимая частица уносит "исчезающий" импульс.
Как выяснилось после открытия других элементарных частиц, особенно так называемых мезонов, нейтрино принимает участие не только в бета-распаде ядер, но и в других процессах. Его присутствие обнаруживается всегда, когда энергия как будто исчезает. Кстати, в некоторых из этих процессов, где число образующихся частиц равно двум, а не трем, как в процессе бета-распада, характер "несохранения энергии" более чем подозрителен и требует существования нейтрино еще яснее, чем в случае бета-распада.
Например, при распаде так называемого пиона (или пи-мезона) всегда "исчезает" определенная энергия, около 30 миллионов электронвольт. В процессе захвата мюона (или мю-мезона) ядром гелия-3
µ-+3He3H+,
обнаруженном в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, "исчезает" около 100 миллионов электронвольт (энергия нейтрино), а ядра отдачи трития 3H имеют энергию, всегда точно равную 1,9 миллиона электронвольт. Если бы эти процессы были известны раньше, чем бета-распад, быть может, не было бы необходимости в гении Паули для "изобретения" нейтрино.
Подводя итоги, можно сказать, что нейтрино было "изобретено" теоретически, что свойства этой "неуловимой" частицы были первоначально постулированы с целью оправдания ее "ненаблюдаемости". Такое положение господствовало в физике нейтрино в последние 25 лет. Ферми, оставивший неизгладимый след во всех областях физики, не мог успокоиться только почетной ролью "крестного отца" нейтрино и создал количественную теорию процесса бета-распада, основанную на аналогии с теорией излучения квантов света возбужденным атомом. Согласно этой теории, подобно тому, как фотон рождается в процессе разрядки возбужденного состояния, а не находится заранее внутри возбужденного атома, так и атомное ядро испускает пару нейтрино-электрон в процессе бета-распада, а о существовании нейтрино и электронов внутри ядра речь идти не может.
Возможно, что у некоторых, если не у всех, читателей возникла скептическая мысль: ведь нейтрино открыли теоретически, исследовали косвенным образом, а не фантазия ли все это?
Теоретическое "изобретение" нейтрино, правда, вполне обоснованно. Но нейтрино, конечно, материально и, в принципе, доступно регистрации. Его ненаблюдаемость могла быть только временной, вызванной трудностями, связанными с уровнем экспериментальной техники. Поэтому физики, так же как и читатели этой статьи, вправе требовать "железной" проверки гипотезы нейтрино.

Как физики-экспериментаторы "поймали" нейтрино

Поймать неуловимое, зафиксировать эффект, вызванный свободным нейтрино, - вот что было необходимо для окончательного доказательства существования этой таинственной частицы.
Сложность задачи объяснялась колоссальной проникающей способностью, которая ожидалась для нейтрино. Откровенно говоря, об этом не было достаточно конкретно сказано в начале нашей статьи, чтобы не вызвать у читателя полного недоверия. Но сейчас речь пойдет об опытах, которые позволили "поймать" нейтрино и доказали, что оно действительно обладает теоретически приписанными ему удивительными свойствами. И теперь можно сказать, что нейтрино могут беспрепятственно проникать, скажем, сквозь чугунную плиту, толщина которой в миллиарды раз превышает расстояние от Земли до Солнца!
Иными словами, через километровую толщину твердого вещества надо пропустить миллион миллиардов нейтрино, чтобы хоть одно из них могло вызвать какой-нибудь эффект.
И все же эта, казалось бы, неразрешимая задача была решена. Понятно, что пропускать одно нейтрино сквозь астрономическую толщину вещества, чтобы оно с большой вероятностью прореагировало, - это нереально. Более практично пропускать астрономическое число нейтрино через разумную, скажем метровую, толщину жидкого или твердого вещества.
Здесь помогло бурное развитие нейтронной физики, связанное с открытием и техническим освоением атомной энергии.
Известно, какое огромное значение в науке и практике имеют ядерные реакторы - устройства, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если
справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения согласно знакомой нам схеме:
np+е-+
(теперь можно сказать, что значок "~" над символом нейтрино означает, что речь идет об антинейтрино; о том же, что это такое, мы расскажем немного ниже).
Значит, мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино.
В качестве примера рассмотрим атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт. Это очень большая мощность. Каждую секунду такой реактор испускает около 51019 т.е. больше 10 миллиардов миллиардов антинейтрино. И все же уловить "проскальзывающие" частицы и здесь крайне трудно. О попытке зафиксировать нагрев вещества под действием нейтрино не может быть и речи. Для того чтобы, скажем, половина энергии, переносимой этим потоком частиц, освобождалась в виде тепла, необходим поглотитель массой 1060 тонн, что неизмеримо превышает массу Солнца.
Зато регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна. Физики предсказали любопытный ядерный процесс, который, несомненно, может быть вызван нейтрино и антинейтрино, если они существуют, - процесс, обратный бета-распаду.
Представьте себе, что антинейтрино встречается с протоном - ядром атома водорода. Что произойдет при этом? Теория утверждает: будут случаи, когда антинейтрино и протон превратятся в позитрон и нейтрон:
+pn+е+.
Вероятность этого процесса можно хорошо рассчитать. А регистрируя его в эксперименте, можно одновременно проверить гипотезу существования нейтрино.
Разумеется, для эксперимента необходим очень мощный источник "неуловимых" частиц. Но упоминавшийся нами реактор мощностью в 300 тысяч киловатт вполне пригоден для этой цели. На расстоянии 10 метров от него ожидаемый поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составит примерно 1013 частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну содержащего водород вещества (иначе говоря, запас протонов), по расчету должен каждый час вызывать около 100 превращений протонов в нейтроны.
И это предвидение сбылось. Оно подтвердилось в блестящем опыте, законченном в 1957 г. американскими физиками Райнесом и Коуэном. Антинейтрино попадали в огромный сцинтилляционный счетчик - цистерну с содержащим водород веществом, способным испускать вспышку света (сцинтилляцию), когда сквозь него проходит электрически заряженная частица. Каждую такую вспышку регистрировали фотоэлементы.
Эксперимент проходил так. Как только протон, которому выпала крайне редкая судьба встретиться с антинейтрино, превращался в нейтрон и позитрон, последний давал вспышку и регистрировался фотоэлементами. Через некоторое время нейтрон замедлялся и, когда он становился совсем медленным, захватывался одним из ядер атомов вещества счетчика. При этом рождались кванты электромагнитного излучения, которые регистрировались в том же сцинтилляторе. Таким образом, каждое взаимодействие антинейтрино с протоном влекло за собой две вспышки света. Одна из них фиксировалась сразу же, а другая - с некоторой задержкой.
Опыт был необычайно трудным. Достаточно сказать, что объем сцинтиллятора примерно в тысячу раз превышал обычный объем подобных устройств, используемых в исследовательских работах по ядерной физике. Это было вызвано тем, что благодаря "инертности" антинейтрино меньший объем прибора привел бы к очень незначительному числу регистрируемых событий.
Подготовка и выполнение этого уникального эксперимента потребовали более пяти лет.
Так "вор энергии" был, наконец, пойман. Он занимает сейчас прочное место в семье фундаментальных кирпичиков материи.
От всех других элементарных частиц нейтрино отличается чрезвычайно слабым взаимодействием с ними. Это объясняет и астрономическую проникающую способность нейтрино. Такое слабое взаимодействие могут испытывать и все другие элементарные частицы. Однако последние, кроме слабых взаимодействий, испытывают и иные, несравнимо более сильные, так что их проникающая способность измеряется, скажем, только десятками сантиметров чугуна.
Нейтрино уникально тем, что у него только слабое взаимодействие, чистейшим представителем которого оно является.

Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц

Читателю знакомы разные по своей природе силы, проявляющиеся во взаимодействиях между телами. Но глубоко различающихся в принципе типов взаимодействия очень мало. Если не считать тяготения, которое играет существенную роль только в присутствии огромных масс, то известны лишь три вида взаимодействий: сильные, электромагнитные и слабые.
Электромагнитные взаимодействия всем знакомы. Благодаря им движущийся неравномерно электрический заряд (скажем, электрон в атоме) испускает электромагнитные волны (например, видимый свет). С этим классом взаимодействий связаны все химические процессы, а также все молекулярные явления - поверхностное натяжение, капиллярность, адсорбция, текучесть. Электромагнитные взаимодействия, теория которых блестяще подтверждается опытом, глубоко связаны с электрическим зарядом элементарных частиц.
Сильные взаимодействия стали известны только после раскрытия внутренней структуры атомного ядра. В 1932 г. было обнаружено, что оно состоит из нуклонов, нейтронов и протонов. И именно сильные взаимодействия соединяют нуклоны в ядре - отвечают за ядерные силы, которые в отличие от электромагнитных характеризуются очень малым радиусом действия (около 10-13, т.е. одной десятитриллионной доли сантиметра) и большой интенсивностью. Кроме этого, сильные взаимодействия появляются при столкновениях частиц высоких энергии с участием пионов и так называемых "странных" частиц.
Интенсивность взаимодействий удобно оценивать по так называемой длине свободного пробега частиц в некотором веществе, т.е. по средней величине пути, который частица может пройти в этом веществе до разрушающего или сильно отклоняющего соударения. Ясно, что чем больше длина свободного пробега, тем менее интенсивно взаимодействие.
Если рассматривать частицы очень высокой энергии, то соударения, обусловленные сильными взаимодействиями, характеризуются длиной свободного пробега частиц, соответствующей по порядку величины десяткам сантиметров в меди или железе.
Иначе обстоит дело при слабых взаимодействиях. Как мы уже сказали, длина свободного пробега нейтрино в плотном веществе измеряется в астрономических единицах. Это указывает на удивительно малую интенсивность слабых взаимодействий.
Любой процесс взаимодействия элементарных частиц характеризуется некоторым временем, определяющим его среднюю продолжительность. Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями, часто называют "медленными", так как время для них относительно велико.
Читатель, правда, может удивиться тому, что явление, происходящее, скажем, за 10-6 (одну миллионную долю) секунды, классифицируется как медленное. Такое время жизни характерно, например, для распада мюона, вызванного слабыми взаимодействиями. Но все познается в сравнении. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен. Естественной единицей длины в микромире служит 10-13 сантиметра - радиус действия ядерных сил. А так как элементарные частицы высокой энергии имеют скорость, близкую к скорости света (порядка 1010 сантиметров в секунду), то "нормальный" масштаб времени для них составит 10-23 секунды.
Это значит, что время 10-6 секунды для "граждан" микромира гораздо более продолжительно, чем для нас с вами весь период существования жизни на Земле.

Действительно ли нейтрино нейтрально?

Урановые реакторы помогли выяснить еще одну важную характеристику нейтрино, а именно - существование у него "нейтринного" заряда. Но разве нейтральная частица может обладать зарядом?
Известно, что в природе имеется очень красивая симметрия, которая в последние несколько лет была окончательно подтверждена рядом фундаментальных опытов. Симметрия эта состоит в том, что каждой частице соответствует двойник - античастица, имеющая массу, одинаковую с частицей, а все "заряды" противоположного знака.
"Заряд" - это любая внутренняя характеристика частицы, которой приписывается знак: или положительный, или нейтральный, или отрицательный. Любому виду заряда обязательно свойственны неуничтожаемость и дискретность (т.е. они могут принимать только вполне определенные и выделенные значения).
Ясно, что электрически заряженная частица, скажем, отрицательный электрон будет отличаться от своей античастицы - положительного электрона. Но и электрически нейтральная частица, т.е. частица, не имеющая электрического заряда, может отличаться от своей античастицы. Конечно, если все заряды данной частицы равны нулю, то она тождественна со своей античастицей; она в этом случае истинно нейтральна.
А как обстоят дела с нейтрино? Мы уже знаем, что оно электрически нейтрально. Но является ли нейтрино истинно нейтральным? Отличается ли нейтрино от антинейтрино? И вот опыты с реактором дали следующий ответ: да, нейтрино и антинейтрино - разные частицы. Нейтрино не истинно нейтрально; оно имеет неэлектрический заряд - так называемый нейтринный заряд.
Но прежде чем рассказать о том, как это было показано, мне предстоит еще выполнить свое обещание и раскрыть смысл значка "~" над символом нейтрино .
Как мы уже говорили, означает антинейтрино. Так назвали "неуловимую" частицу, которая возникает при распаде нейтрона.
Почему же антинейтрино, а не нейтрино? Это название выбрано совершенно произвольно и только ради удобства. Такие условности в физике встречаются нередко. Например, ничего не изменилось бы, если бы в один прекрасный день мы решили считать электрический заряд электрона положительным. Конечно, автоматически заряд у антиэлектрона стал бы отрицательным.
Итак, мы называем антинейтрино ту частицу, которая испускается при бета-распаде совместно с отрицательным электроном (когда нейтрон превращается в протон). Но физики давно знают и другой процесс, именуемый бета-плюс-распадом, когда протон внутри атомного ядра самопроизвольно превращается в нейтрон, позитрон и "неуловимую частицу". И только эту частицу мы должны назвать нейтрино.
Однако пока совершенно не ясно, отражают ли эти два названия реальную суть вещей или различие между ними чисто формальное. Иначе говоря, нам надо выяснить, отличаются ли по каким-то характеристикам нейтрино от антинейтрино.
Мы видели, что антинейтрино с протоном может дать позитрон и нейтрон. Аналогично этому столкновение нейтрино с нейтроном может дать электрон и протон (ибо последняя реакция вызвана тем же самым взаимодействием, что и предыдущая).
Но другое дело, если мы рассмотрим реакции
+pn+е+,    +np+е-.
Обе эти реакции получены из двух предыдущих путем замены нейтрино на антинейтрино и наоборот. Если различие между нейтрино и антинейтрино чисто формальное, если оно существует лишь в записи, то, конечно, возможны обе реакции. Если же это различие реальное, т.е. отражает различие внутренних свойств этих частиц, то эти реакции невозможны.
Итак, для проверки вопроса о различии нейтрино и антинейтрино можно использовать одну из последних реакций. Поскольку мы не имеем интенсивных источников нейтрино, но у нас есть зато источники антинейтрино - урановые реакторы, то удобно исследовать вторую из приведенных выше реакций. Правда, вещества, состоящего из одних только нейтронов, не существует. Но это не принципиальный вопрос. Можно изучить реакцию на нейтронах, находящихся внутри атомного ядра. Особенно удобным оказалось ядро хлора-37. Этот крайне трудный опыт был закончен недавно. Было найдено, что процесс
+37Cl37Ar+e-
не осуществляется. Значит, и в самом деле нейтрино и антинейтрино - разные частицы, имеющие противоположные знаки некоего неэлектрического, нейтринного заряда.
Какова природа этого заряда?
С тех пор как была выдвинута гипотеза о нейтрино, не было сомнения в том, что нейтрино должны иметь "спин", т.е. являются вращающимися объектами (в квантово-механическом смысле). Можно было ожидать, что в составе пучка нейтрино половина частиц имеет правое вращение по отношению к направлению движения, а другая половина - левое. Это следовало из физического закона, который до 1957 г. считался неоспоримым, - "закона сохранения четности". В соответствии с ним во всех физических явлениях должна иметь место строгая право-левая ("зеркальная") симметрия, так что в природе не должны происходить явления, в которых правое преобладает над левым и наоборот.
В нашем случае закон сохранения четности запрещает испускание, как говорят физики, "продольно поляризованных" нейтрино, т.е. нейтрино, имеющих, скажем, преимущественно левое вращение по отношению к направлению движения.
Кроме того, до 1957 г. думали, что имеет место и другая симметрия - зарядовая, благодаря которой любое физическое явление остается "инвариантным" (т.е. описывается одним и тем же математическим законом), если каждую частицу заменить ее античастицей. Такая симметрия не позволяет нейтрино иметь только левое вращение, а антинейтрино - только правое.
Однако в 1957 г. китайские физики, работающие в США, - Ли Дзундао и Янг Чженьнин выдвинули гипотезу, что при слабых взаимодействиях эти два закона симметрии не имеют места. В многочисленных экспериментах обнаружились явления, в которых эти законы явно нарушаются, но обязательно оба сразу.
Советский физик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий Лев Давидович Ландау показал, что в природе существует более глубокая симметрия, которую он назвал комбинированной инверсией. Предложенный им новый закон утверждает, что любое явление остается инвариантным, если одновременно "правое заменить на левое", а каждую частицу заменить ее античастицей.
С точки зрения нового закона, нейтринный пучок "имеет право" быть полностью поляризованным. Кроме того, если нейтрино вращается справа налево, то антинейтрино должно вращаться слева направо по отношению к направлению своего движения. Такая возможность и предусматривается теорией "продольного
нейтрино" А. Салама, Л. Ландау, Ли и Янга, согласно которой эти частицы должны быть полностью поляризованы. Вместе с тем, по этой теории, нейтрино обязаны иметь массу, строго равную нулю, а значит, в соответствии с теорией относительности, скорость их всегда равна скорости света.
Все эти предсказания теории ныне подтверждаются в опытах. Доказано, что нейтрино вращается справа налево (если смотреть по ходу его движения). Известно, что степень поляризации нейтрино и антинейтрино очень высока. Правда, не доказано еще экспериментально, полностью ли поляризованы неуловимые частицы, как этого требует теория продольного нейтрино, и точно ли равна нулю их масса.
Таким образом, мы может заключить, что нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга тем, что имеют разное направление "спиральности", причем нейтрино напоминает винт с левой резьбой, а антинейтрино - с правой. Но здесь возникает естественный вопрос: сведется ли к этому сущность нейтринного заряда? Иными словами, является ли разное направление "спиральности" нейтрино и антинейтрино единственным различием между этими частицами?
Всего несколько месяцев назад большинство физиков, я думаю, дали бы положительный ответ на этот вопрос. Однако недавно законченный важный опыт, о котором речь будет идти ниже, показывает, что вопрос о природе нейтринного заряда не такой простой.

Нейтрино высоких энергий

То, о чем говорилось до сих пор, - это прошлое физики нейтрино. Сейчас я расскажу о задачах физики нейтрино, которые еще не решены или решаются в настоящее время.
Исследования нейтрино бурно развиваются, особенно в связи с созданием советскими и зарубежными физиками новой области физики элементарных частиц - физики нейтрино высоких энергий.
Нейтрино, испускаемые радиоактивными ядрами урановых реакторов, имеют энергию, по порядку величины равную характерной ядерной энергии, т.е. несколько миллионов электронвольт. Эта энергия в миллион раз превышает энергию электронов в атоме, но сегодня, когда имеются машины, ускоряющие частицы до десятков миллиардов электронвольт, реакторы рассматриваются как источники нейтрино низкой энергии.
Для физики нейтрино высоких энергий характерно то, что в этой области науки исследуются главным образом нейтрино "пионной природы", т.е. нейтрино, рождающиеся при распаде пиона.
Как можно получить пучок нейтрино пионной природы?
Представьте себе современный ускоритель, дающий протоны с энергией в десятки миллиардов электронвольт (такой, как дубненский синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований или американский брукхейвенский ускоритель). Когда протоны попадают на мишень (скажем, алюминиевую пластинку толщиной в несколько сантиметров), рождаются пионы. Эти пионы распадаются на лету (средний путь их до распада в вакууме измеряется десятками метров). При этом образуется нейтрино согласно схеме
µ+
И вот именно пучки нейтрино пионной природы используются в настоящее время в крупнейших лабораториях мира. Масштаб опытов потрясающ. Для их выполнения необходимы ускорители с магнитами, вес которых превышает десятки тысяч тонн, а сам детектор нейтрино весит десятки тонн.
Каковы главные проблемы физики нейтрино высоких энергий? Современная количественная теория слабых взаимодействий, созданная недавно Ричардом П. Фейнманом и Мюрреем Гелл-Манном на основе идей Ферми, Ли и Янга, Ландау и Салама, универсальна. Это означает, что поведение всех других частиц при слабых взаимодействиях по существу одинаково с поведением нейтрино.
Согласно теории Фейнмана и Гелл-Манна, физические процессы, связанные со слабым взаимодействием, в области малой энергии можно рассчитать довольно хорошо. Но при больших энергиях появляются фундаментальные трудности. Сама теория предсказывает, что слабость взаимодействия нейтрино относительно уменьшается, когда энергия нейтрино увеличивается.
Схемы распада нейтрона: вверху - при
предположении локального взаимодействия
частиц; внизу - с участием промежуточного бозона
Если это увеличение интенсивности взаимодействия нейтрино с возрастанием энергии продолжается, то при фантастически высокой энергии в 300 миллиардов электронвольт мы столкнулись бы с абсурдным результатом: вероятность некоторых событий превышала бы единицу, а мы знаем, что вероятность по ее природе всегда менее единицы или равна ей. Это означает, что при энергии меньше 300 миллиардов электронвольт увеличение интенсивности взаимодействия должно прекратиться.
Но сразу возникают следующие вопросы.
Будет ли увеличение интенсивности взаимодействия прекращаться вблизи 300 миллиардов электронвольт или при очень существенно меньшей энергии? Этот вопрос можно поставить и по-другому: станет ли слабое взаимодействие сильным при очень высокой энергии или нет?
Второй вопрос: какой механизм отвечает за прекращение роста интенсивности взаимодействия?
Определенных ответов на эти вопросы физики пока не могут дать. Самый простой теоретический ответ (правда, не обязательно правильный) состоит в предположении, что слабые взаимодействия четырех частиц (например, нейтрона, протона, электрона и нейтрино при бета-распаде) имеют, так сказать, вторичный характер: они как будто обусловлены гипотетической частицей B (физики называют ее "промежуточным бозоном", а почему, я не стану объяснять), которая является носителем слабых взаимодействий. Приводимые здесь схемы представляют соответственно бета-распад нейтрона при двух предположениях:
а) без промежуточного бозона, т.е. когда процесс взаимодействия четырех частиц - первичный (или, как говорят, локальный);
б) когда взаимодействие четырех частиц вторично и осуществляется промежуточным бозоном.
Оказывается, что во втором случае увеличение интенсивности взаимодействия с ростом энергии частиц естественным образом прекращается при относительно небольшой энергии.
Таким образом, существование частицы B помогает понять трудный теоретический вопрос. В настоящее время в разных лабораториях предпринимаются попытки наблюдать эту частицу при помощи пучков нейтрино высокой энергии.
Но, оказывается, и существование этой гипотетической заряженной частицы создает определенные трудности.
Дело в том, что на основании ее существования физики предсказали ряд процессов, которые в действительности не происходят. Правда, трудность довольно общая и не связана только с существованием частицы B, но она особенно ярко проявится, если заряженный промежуточный бозон существует. Типичный пример таких неосуществимых процессов - так называемый радиационный распад мюона, т.е. испускание мюоном электрона и фотона:
µe+
В течение долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же запрещает мюону превращаться в электрон и фотон? Здесь следует возвратиться к общему понятию о зарядах частиц.
Вспомним, что при разных превращениях любой заряд сохраняется точно так же, как электрический. Именно тот факт, что некоторые, на первый взгляд возможные, превращения частицы на самом деле не наблюдаются, заставил ввести понятие разных зарядов. Неуничтожаемость заряда (любого, а не только электрического) запрещает эти превращения. Например, мы знаем, что нуклоны - протоны и нейтроны - никогда не распадаются только на "легкие частицы". Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.
Сразу возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон, которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, "мюонного" заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить, что фотон - истинно нейтральная частица. Он не имеет никаких зарядов.
Однако имеется один процесс - распад мюона, в котором мюон и электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом процессе. На этом основании долго думали, что процесс идет по схеме
µe++
Но такая схема трудно совместима с предположением о существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон. Ведь пара , по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не сохраняется.
Можно предположить, что имеются два сорта пар нейтрино-антинейтрино: "мюонные" и "электронные". При этом они отличаются друг от друга тем, что у "мюонных" нейтрино µ (но не у "электронных" e) имеется мюонный заряд.
Тогда распад мюона может происходить по схеме
µ+e++e+µ
и мюонный заряд сохраняется, поскольку разница зарядов мюона и электрона, так сказать, компенсируется разницей зарядов испускаемых "неуловимых" частиц.
В настоящее время неизвестно, все ли приведенные аргументы правильны, но именно они, по существу, заставили советского физика Моисея Александровича Маркова и других ученых предсказать существование двух типов нейтрино. Это разрешило бы трудности, связанные с отсутствием процесса распада мюона на электрон и фотон и с возможностью существования B-частицы.
Таким образом, сегодня выявляются следующие главные проблемы физики нейтрино высоких энергий:
Как зависит интенсивность слабого взаимодействия от энергии?
Первично ли слабое взаимодействие или оно обусловлено некоторой промежуточной частицей?
Существует ли в природе только одна пара нейтрино или их две пары: ee и µµ?

Одно или два нейтрино?

Итак, существование двух типов нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с электроном (электронные нейтрино e), отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном (мюонные нейтрино µ). В частности, нейтрино, испускаемые в процессе бета-распада (e), отличаются от нейтрино, испускаемых в распадах пиона (µ).
Но как можно показать, что эти частицы действительно отличаются друг от друга?
Если вы внимательно следили за принципом описанного выше опыта, в котором было сказано, что нейтрино и антинейтрино - разные частицы, то вы поймете, как можно решить проблему различия мюонных и электронных нейтрино.
Действительно, логические аргументы, позволяющие доказать отличие от и e от µ , очень близки.
Из сказанного выше ясно, что мощные синхрофазотроны должны быть источниками мюонных нейтрино. Рассмотрим сейчас некоторые реакции, которые могут быть вызваны этими частицами, например,
µ+pn+,
или
µ+pn+e+,
Если вы помните, процесс
µ+pn+e+
был обнаружен при помощи электронных антинейтрино, испускаемых реактором. Отсюда ясно, что исследование приведенных выше реакций послужит однозначной проверкой гипотезы о различии e и µ. Первая реакция будет идти наверняка. Что же касается второй, то она будет наблюдаться, если e и µ - одно и то же, а если e и µ - разные частицы, реакция не произойдет. Иными словами, опыт должен выяснить вопрос о том, могут ли мюонные нейтрино от ускорителя вызывать реакцию с испусканием электронов.
Схемы распада пионов. Процесс с испусканием мюонов
в 10000 раз более вероятен, чем с испусканием электронов
Такой опыт был только что выполнен группой американских физиков, в том числе известными учеными Ледерманом, Шварцем и Штейнбергером, и находился в центре внимания Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в Женеве летом 1962 г. Результат опыта гласил: да, мюонные и электронные нейтрино - разные частицы.
Эксперимент происходил так. Пучок мюонных нейтрино с энергией порядка миллиарда электронвольт от синхрофазотрона, ускоряющего протоны до энергии 15 миллиардов электронвольт, фильтровался через 13-метровую толщу чугуна, поглощающую все другие частицы, кроме нейтрино. Нейтрино, конечно, проникает сквозь эту толщу так же беспрепятственно, как лучи солнца сквозь окошко. Эффекты, вызываемые нейтрино, регистрировались в так называемой искровой камере - приборе, который показывает треки проходящих через него электрически заряженных частиц в виде следов искр. Конечно, в искровой камере регистрировались не сами нейтрино: были зафиксированы заряженные продукты взаимодействия нейтрино с материалом камеры, которая служила "мишенью" для нейтрино. Камера весила 10 тонн, основным ее материалом был алюминий в виде пластин толщиной около 2 сантиметров.
Более 100 тысяч миллиардов мюонных нейтрино прошло через камеру, а зарегистрировано было только 51 взаимодействие. И при этих взаимодействиях образовывались не электроны, а мюоны.
Мы ^е убедились раньше, что нейтрино (в частности, мюонное нейтрино) поляризовано и характеризуется определенным знаком "спиральности". Теперь, после этого эксперимента, можно утверждать, что "спиральность" - не единственный заряд мюонного нейтрино. У этой частицы, как и у мюона, есть еще одна внутренняя характеристика - "мюонный" заряд. На вопрос о том, какова природа этого заряда, пока нельзя ответить.
В настоящее время физики пытаются понять до конца, что означает существование двух нейтрино для теории слабого взаимодействия.

Рассеяние нейтрино на электронах

Прежде чем закончить часть статьи, посвященную роли нейтрино в микромире, следует упомянуть еще об одной нерешенной важной проблеме физики нейтрино. Происходит ли рассеяние нейтрино электронами, т.е. отклоняется ли нейтрино электронами с вероятностью, сравнимой с вероятностью всех других процессов слабого взаимодействия? На этот вопрос теория дает положительный ответ. Однако степень достоверности теории нейтрино пока еще недостаточно высока. Поэтому опыт по обнаружению нейтрино-электронного рассеяния стоит на очереди и в недалеком будущем безусловно будет выполнен, несмотря на очень серьезные трудности, с ним связанные. Этот вопрос крайне важен не только для физики элементарных частиц, но и для астрофизики, о чем речь пойдет ниже.

Нейтрино и звезды

Нейтрино обязательно должно играть роль в явлениях макроскопического масштаба.
Прежде всего необходимо сказать (более подробно мы поговорим об этом ниже), что внутри звезд нейтрино образуются в большом количестве при ядерных превращениях, в частности при бета-распаде разных нестабильных ядер. Заметим, что сомнений в существовании такого испускания нейтрино звездами практически нет, хотя оно еще не обнаружено экспериментально. Естественно, что нейтрино выходят без всяких затруднений, скажем, из Солнца. А вот еще один пример макроскопического эффекта. Урановый атомный реактор мощностью в сотни тысяч киловатт "теряет" в виде антинейтрино десятки тысяч киловатт! Часто встречаются ситуации, когда конкретную количественную роль нейтрино в том или ином явлении нельзя оценить из-за отсутствия сведений о некоторых его свойствах. Например, ответ на такой довольно тонкий вопрос физики элементарных частиц, как существование процесса нейтрино-электронного рассеяния, о котором говорилось выше, имеет далеко идущие астрофизические следствия. В самом деле, в последние несколько лет было показано, что существование этого явления должно привести к новому механизму интенсивной потери энергии звездами, связанному с испусканием пар нейтрино-антинейтрино. Этот механизм должен иметь место на таких стадиях эволюции звезд, когда их температуры и плотности очень высоки. Оказывается, что "нейтринная" светимость некоторых звезд может намного превышать их "световую" светимость. Однако неизвестно, осуществляется ли этот процесс в действительности.
Во всяком случае, нигде так ясно не проявляется связь между микромиром и космосом, как в физике нейтрино. Недавно родилась новая область науки - нейтринная астрофизика, описывающая многочисленные явления, в которых нейтрино играют первостепенную роль. Нейтринная астрофизика имеет две стороны.
Во-первых, нейтрино участвуют в ряде процессов, происходящих внутри звезд. Поэтому астрофизика, как теоретическая наука, должна учитывать роль "неуловимых" частиц в динамических внутризвездных процессах. Не исключено, что нейтрино будут играть существенную роль и для космогонии.
Во-вторых, нейтрино, испускаемые звездами и вообще исходящие из космического пространства, могут быть зарегистрированы в опытах, выполненных на Земле. Есть надежда, таким образом, получить ценные данные о Вселенной.
Эта сторона нейтринной астрофизики как экспериментальной науки особенно заманчива. Дело в том, что до сих пор нам был доступен практически единственный тип излучения, попадающего на Землю из космического пространства - электромагнитные волны (видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, короткие радиоволны). Правда, в последнее время с позиций астрофизики исследуются также космические лучи. Но об этом здесь мы говорить не будем.
Представьте себе, что со временем физики и астрофизики, работая совместно, получат возможность регистрировать интенсивность и энергию нейтрино и антинейтрино, летящих от отдельных небесных объектов и из космического пространства. Тогда в руках исследователей появятся мощные дополнительные способы решения астрофизических проблем. Заметим, в частности, что электромагнитные волны исходят только с поверхностного слоя небесных тел. Регистрация же нейтрино даст возможность "заглянуть" очень глубоко внутрь звезд. Ведь нейтрино легко пронизывают Солнце!
Разумеется, многое из сказанного выше хотя и принципиально возможно, но пока очень далеко от практического осуществления. Однако некоторые вопросы могут быть решены в близком будущем. Сейчас мы остановимся именно на них. Речь будет идти о Солнце.

Солнечные нейтрино

Несмотря на то, что вопрос об образовании нейтрино в звездах остается довольно неясным, все-таки кое-что об этом уже известно. Поток нейтрино от Солнца, например, теоретически вычислен. По порядку величины он равен 1010-1011 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр поверхности Земли. Перенос энергии на поверхность Земли, связанный с потоком солнечных нейтрино, колоссален. Он составляет несколько процентов от общего солнечного излучения. Так же определенно можно утверждать, что Солнце испускает именно нейтрино, а не антинейтрино. Это связано с типами ядерных реакций, которые могут происходить в звездах. Как известно, энергия Солнца и других звезд освобождается в так называемых водородных и углеродных циклах, в которых водород превращается в гелий. При этом в виде нейтрино излучается около 5 процентов энергии Солнца. Первостепенный теоретический интерес имеет вопрос, какие именно ядерные реакции происходят в центральной части Солнца? Нейтрино образуются в разных ядерных реакциях прямым или косвенным образом, причем энергия испускаемых нейтрино зависит от процесса, в котором они родились. Последнее обстоятельство очень важно, так как мы видели, что вероятность взаимодействий (а значит, и возможность регистрации) нейтрино сильно зависит от энергии "неуловимых" частиц. Следовательно, число зарегистрированных нейтрино разных энергий будет давать сведения о том, какие реакции происходят в "глубинах" Солнца.
Кроме того, полное число нейтрино, излучаемых Солнцем, известно пока слишком грубо. Первоочередная задача экспериментальной нейтринной астрофизики - определить с достаточной точностью это число.
Но как можно это сделать?
Мы уже говорили, что каждый квадратный сантиметр поверхности Земли пронизывают ежесекундно десятки миллиардов нейтрино. Огромная величина! И хотя "поймать" даже столь густой поток "неуловимых" частиц все равно очень трудно, задача эта разрешима. Тут приходит на помощь уже знакомая нам реакция - взаимодействие нейтрино с атомным ядром хлора-37. В качестве "мишени" для нейтрино можно использовать несколько тысяч тонн четыреххлористого углерода - вещества дешевого и широко распространенного. Напомним, что реакция
+37Cl37Ar+e-
характерна именно для нейтрино, а не для антинейтрино.
Состояние сегодняшней техники таково, что мы можем "ловить" нейтрино, имеющие энергию больше миллиона электронвольт, если поток частиц составляет не меньше 10 миллиардов штук в секунду через каждый квадратный сантиметр.
Нет сомнения в том, что первый шаг экспериментальной нейтринной астрофизики будет сделан в будущем именно при исследовании Солнца.

Нейтрино и антимиры

А теперь давайте пофантазируем - поговорим о менее реальных вещах. Я расскажу о некоторых принципиальных возможностях экспериментальной нейтринной астрофизики. Практические решения здесь еще очень далеки и, быть может, никогда не увидят свет.
После того как будут зарегистрированы нейтринные потоки от Солнца, необходимо будет сделать следующий шаг - измерить нейтринные потоки из космического пространства (мы уже видели, насколько важна эта задача) и от отдельных галактик. Для этого нужно увеличить чувствительность современных методов регистрации больше чем в миллион раз. Поэтому я не буду останавливаться подробно на этих вопросах, а проиллюстрирую только одну принципиальную возможность, которая открывается перед нейтринной астрофизикой. Это решение проблемы антимиров - миров, целиком построенных из античастиц.
Могут ли наблюдения с Земли сказать нам, существуют ли антимиры? Пусть мы видим какое-то небесное тело и хотим узнать, из вещества или из антивещества оно построено. Наблюдение света и вообще электромагнитных волн никак не может дать ответа на этот вопрос. Свет, испускаемый, скажем, атомом водорода, тождествен свету, испускаемому атомом анти водорода. Ведь фотоны - истинно нейтральные частицы: они не имеют никаких зарядов и не отличаются от своих античастиц.
А как обстоит дело с нейтринным излучением? Мы уже видели, что Солнце испускает нейтрино, а не антинейтрино. Это же относится и к любым звездам, где основной источник энергии - термоядерные реакции превращения водорода в гелий.
Теперь представьте себе "антисолнце", внутренние процессы которого аналогичны солнечным. Это значит, что источником энергии там служит превращение антиводорода в антигелий. Такие антисолнца дадут свет, неотличимый от света нашего Солнца. Однако они будут испускать антинейтрино, а не нейтрино. Можно представить себе, какие перспективы открываются перед нейтринной астрономией.

Нейтринные "телескопы"

Правда, надо предостеречь вас от слишком оптимистического представления о возможности решения изложенных вопросов. Дело не только в том, что речь идет о крайне малой интенсивности нейтрино и антинейтрино. Самая большая трудность связана с тем, что неизвестно, как создать эффективный нейтринный телескоп.
Нейтринных линз нет. Для тою чтобы утверждать, что нейтринное излучение приходит от определенною небесного тела, необходимо измерить угловое распределение продуктов расщепления, вызванных нейтрино. Но оказывается, что в случае нейтрино с энергией несколько миллионов электронвольт или меньше это угловое распределение по отношению к направлению падающего пучка очень нечувствительно. Эта трудность так велика, что неизвестно, будет ли задача когда-нибудь решена. Но сама принципиальная возможность ее решения достаточно интересна.
Задача построения нейтринного телескопа значительно упрощается для нейтрино высокой энергии, превышающей миллиард электронвольт. В таком случае заряженные продукты, образующиеся при взаимодействии нейтрино с ядрами, сохраняют направление налетающих нейтрино, а это позволяет создать телескоп для "неуловимых" частиц высоких энергий. Таким телескопом может служить установка, помещенная на большую глубину и регистрирующая мюоны, которые рождаются в реакциях типа
+ядроµ+ядро.
Подземная установка, но предположению М.А. Маркова, может выделять мюоны, образованные нейтрино, исходящими из нижней полусферы, т.е. проходящими сквозь всю Землю! Это возможно, конечно, так как длина свободного пробега нейтрино несравнимо больше диаметра Земли. Подводя итоги, можно сказать, что существуют два аспекта физики нейтрино.
С одной стороны, исследование нейтрино как элементарной частицы имеет первостепенное значение для построения теории слабых взаимодействий элементарных частиц, почетным представителем которых нейтрино и является.
С другой стороны, нейтрино, без сомнения, играет важнейшую роль в астрофизике и, быть может, в космогонии. Экспериментальная нейтринная астрофизика - почти еще не рожденная наука, первоочередная задача которой состоит в регистрации нейтрино, исходящих от Солнца.
Эти два аспекта, конечно, очень тесно связаны между собой. Некоторые макроскопические явления, в которых участвуют нейтрино, можно будет рассчитать только тогда, когда будут лучше известны некоторые фундаментальные свойства нейтрино как элементарной частицы.
Исследования нейтрино требуют усилий больших коллективов и очень много средств. Но проблема вызывает настолько большой интерес, что уже сейчас ей занимаются в разных лабораториях многих стран мира.