Нейтрино: крошечная частица, покорившая Вселенную.
Когда-то ее считали лишь «частицей без свойств», странствующим космическим фантомом. Теперь же обсерватории мира бросают все свои силы на исследование ее характеристик. Составляющая темной материи, источник энергии расширения Вселенной, причина гравитационной нестабильности эпохи Большого Взрыва. Знакомьтесь — кроха-нейтрино.
Сейчас мы стоим на пороге новой эпохи в космологии – эпохи нейтрино. За открытия в сфере взаимодействия этих частиц присуждают Нобелевскую премию, а область знаний о них даже планируется выделить в отдельный раздел науки о небесных телах – нейтринную астрофизику. Но что же это, в конце концов, такое, и чем так революционны исследования этих частиц?
Итак, представьте себе ситуацию: начало ХХ ст., после открытия радиоактивности совместными усилиями Анри Беккереля и супругов Кюри, у физиков мира появляется новая «забава» — ядерные реакции. Первым наблюдать их посчастливилось Эрнесту Резерфорду, который, используя знания о недавно обнаруженном радиоактивном излучении ядер атомов, с помощью потока альфа-частиц превращает азот в изотоп кислорода – и осуществляет тем самым первое в истории искусственное превращение элементов. Ученые с запалом потирают руки: вот и очередное открытие, которое может изменить физику будущего. Но не все прошло так гладко. Несколькими годами позднее молодую и еще не окрепшую отрасль ядерной физики настигает глубочайший кризис. Оказалось, что при протекании ядерных реакций бета-распада (реакция превращения ядра элемента с испусканием бета-частицы – электрона или позитрона) не соблюдаются основополагающие законы сохранения энергии и импульса: сумма количества затраченной энергии до реакции и после не совпадает – какая-то часть ее будто бы «улетучивается». Наверное, вам будет довольно сложно понять состояние выдающихся ученых в тот момент, но это было самое что ни на есть отчаяние, граничащее с депрессией. Даже такие гении «физических дел», как Нильс Бор, опускали руки перед «бета-парадоксом» и, оправдываясь тем, что не все под силу постичь человеческим разумом, готовы были отказаться от основных для физики законов сохранения.
Ситуацию спас молодой швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, который, к слову, приходился учеником Нильсу Бору. Рассерженный на своего учителя и его коллег, так легко сдающих позиции перед вызовами науки, он осмелился постулировать наличие в таких реакциях «неуловимой» частицы, которая, по его словам, должна была уносить часть энергии с собой и уравновешивать соотношения импульсов и энергий частиц до и после взаимодействия. Таким образом молодой ученый лишь пытался отвести гениальные умы от мысли про отказ от законов физики – на деле, его догадки на тот момент ничем не подкреплялись. Каково же было удивление Паули, когда через 23 года его предположения таки нашли свое экспериментальное подтверждение в лаборатории итальянского физика-ядерщика Энрико Ферми! «Пойманную» частицу окрестили нейтрино, в переводе – нейтрончик, «нейтральненький». (В. Паули, выдвигая в 1930 г. свою гипотезу, предлагал называть эту частицу нейтроном, т. к. она электрически нейтральна, но этим термином в 1932 г. уже была названа частица, входящая в состав ядра атома, открытая Джеймсом Чедвиком.)
“I have done a terrible thing, I have postulated a particle that cannot be detected”
Тут, пожалуй, следует сделать паузу и разъяснить, как именно «срабатывает» нейтрино в процессах бета-распада и не только, и какие уникальные физические свойства делают эту частицу по-настоящему «призрачной».
Согласно Стандартной модели (теоретическая конструкция в физике, описывающая все элементарные частицы) не все элементарные частицы являются фундаментальными – то есть такими, что составляют первоначальное звено в построении атома молекулы вещества. Так, если взять нуклоны – протон и нейтрон – то они состоят из кварков, которые, в свою очередь, поделить на меньшие составляющие уже невозможно. И таких разновидностей бесструктурных или «точечных» частиц три: помимо упомянутых кварков к ним также относятся лептоны и калибровочные бозоны (хотя последние, скорее, выступают лишь посредниками при взаимодействии предыдущих двух видов). Основная разница между упомянутыми частицами состоит в том, в каких видах фундаментальных взаимодействий (всего существует четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое; далее – ВФВ) они могут участвовать: лептоны, в отличие от кварков, не вступают в сильное взаимодействие (cильное взаимодействие удерживает ядро атома и не дает нуклонам, составляющим его, разлететься) а калибровочные бозоны делятся на подвиды, каждый из которых является «переносчиком» конкретного ВФВ. Так вот к чему мы ведем: нейтрино относится к классу лептонов, но немного отличается от своих собратьев. Дело в том, что все его «лептонные родственники», наиболее известным из которых для нас является электрон, обладают электрическим зарядом, который позволяет им вступать в электромагнитное взаимодействие. Нейтрино же электрически нейтрально, а, следовательно, из четырех ВФВ для него остаются лишь гравитационное и слабое; но основным и единственным, в котором его можно заметить, является именно слабое взаимодействие.
В чем же оно заключается? Да все те ядерные реакции, о которых велась речь ранее, и являются примером слабого взаимодействия. Оно отвечает за превращение одной частицы в другую посредством ядерного распада. И вот как это происходит: при приближении нейтрино практически вплотную (слабое взаимодействие названо слабым, так как действует только на крошечных расстояниях (приблизительно 0,1% диаметра протона) к, например, нейтрону, W+ — бозон нейтрино (до этого мы говорили, что конкретный вид калибровочного бозона отвечает за конкретный вид взаимодействия, так вот в слабом взаимодействии участвуют W-отрицательный (W-), W-положительный (W+) и Z-нейтральный (Z0) бозоны) переходит в нейтрон, где изменяет его слабонегативный кварк на слабопозитивный; имея теперь в своем составе два слабопозитивных и один слабонегативный кварки, нейтрон превращается в протон, а нейтрино, потеряв позитивный W+-бозон, приобретает отрицательный заряд – и становится электроном. Так как число элементарных частиц атома элемента теперь изменено, то изменяется и сам химический элемент. Так и происходит полный процесс превращения элементов с учетом всех законов сохранения.
Таким образом, единственный способ обнаружить нейтрино – это «поймать» его в момент взаимодействия с другой частицей, когда и происходит такое превращение. Но все не так просто, как кажется. Помимо всего прочего, нейтрино практически не контактирует с материей. Эти частицы беспрепятственно пронзают насквозь Солнце, нашу планету, нас! В этом «неуловимой» частице помогает и ее чрезвычайно маленькая масса: приближаясь к массивным телам, ее скорость ни на йоту не уменьшается, и она преодолевает гигантские небесные объекты легче, чем луч света преодолевает стекло. Оглянитесь вокруг: все, что вас окружает сейчас, в эту секунду пропускает через себя сотни триллионов нейтрино, и вы в том числе. Но узнать об этом вы сможете только лишь прочитав подобную статью: почувствовать нейтринные потоки невозможно. Это то, что называется интенсивностью взаимодействия: чем больше длина свободного пробега частицы (то есть расстояния, которое частица может преодолеть без смещений, столкновений и т.д.), тем слабее ее взаимодействие с веществом. У нейтрино это расстояние измеряется в астрономических единицах (среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за единицу измерения).
А это значит, что, чтобы поймать частицу-призрак, иногда нужно ждать невероятно долго, пока одна из триллиарда их не удосужится задеть один из атомов какой-нибудь молекулы. Поэтому астрофизики идут на все, чтобы не только не упустить этот шанс, но и увеличить вероятность его наступления. Так, чтобы отсеять другие фоновые процессы и не перепутать, к примеру, частицу из космического луча с нейтрино, установки по регистрации последних размещают глубоко под землей (японский детектор Super-Kamiokande – 1 км от поверхности; канадский детектор SNO –– 2 км) или и того лучше – в толщи льда Антарктиды (детектор Ice Cube). Все эти детекторы работают по принципу фиксирования сверхчувствительными фотоумножителями момент взаимодействия нейтрино с частицами атома молекулы воды, когда в результате образуется сверхбыстрая заряженная частица, провоцирующая в дальнейшем черенковское излучение (правильнее даже будет – излучение Вавилова-Черенкова: свечение в прозрачной среде, вызванное заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей скорость света в этой среде).
Но вы спросите: а для чего это все? Ведь экспериментально наличие этой частицы уже было доказано Ферми, да и ее роль в процессах ядерного распада тоже известна. Для чего же все эти тысячи фотоумножителей, десятки тысяч тонн воды и километры выкопанной земли (и даже льда)? А дело в том, что, как очень точно некогда высказался советский физик-теоретик М.Марков:
«Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными «целями»»
Сказана эта фраза была еще в конце ХХ ст., сейчас же мы знакомы с нейтрино гораздо ближе, и уже можем кое-что констатировать.
Вспомните только последнюю Нобелевскую премию по физике – она была вручена за нейтринные осцилляции. Этим страшным словосочетанием называется, по сути, превращение одного вида нейтрино в другой. Помните, мы говорили о лептонах? Так вот кроме электрона к ним также относятся мюон и тау-лептон (не заморачивайтесь с названиями: они отличаются лишь массой и реакциями, в которых задействованы). Каждому из этих разновидностей лептонов соответствует отдельный вид нейтрино: электронный, мюонный и тау-нейтрино (существует также гипотеза о существовании четвертого вида – стерильного нейтрино, который вообще не взаимодействует с веществом). Отличаются они, соответственно, тем, какую частицу порождают в результате взаимодействия с атомом. Вот в приведенном выше примере с реакцией взаимодействия нейтрино с нейтроном в результате испустился электрон – следовательно, это был след электронного нейтрино. При этом лауретами было обнаружено, что виды нейтрино взаимодействуют и друг с другом, имея возможность превращаться в «своего товарища». То есть электронное нейтрино становится мюонным, а то, в свою очередь, может обернуться на тау-нейтрино. Это многое объясняет, так как до этого все нейтринные детекторы регистрировали только 1/3 от предполагаемого количества частиц. Как выяснилось, проблема заключалась в том, что отлавливали они лишь электронные нейтрино, не зная, что 2/3 их на пути из космоса до Земли изменяют свою «специализацию».
Но почему же это открытие настолько важно, что заслуживает Нобелевской премии? Да потому, что долгое время нейтрино считалось безмассовой частицей, а открытие процессов осцилляции является беспрекословным доказательством обратного: виды могут взаимопревращаться только если они имеют массу, причем такую, что электронное нейтрино будет легче, чем последнее в цепочке превращений – тау-нейтрино. Доказательство же существования у нейтрино массы открывает перед нами целые горизонты в исследовании роли этой частицы во Вселенной.
И вот почему. Нейтрино, несмотря на всю непримечательность своих физических характеристик, является самой распространенной частицей во Вселенной. Их настолько много, что на все остальное «не нейтринное» вещество приходится всего около 3-10% Вселенной! То есть, как выражаются многие астрофизики, мы, считайте, живем в нейтринной Вселенной! Однако будь эти частицы безмассовыми, подобного рода информация не принесла бы нам много пользы – разве что для общего развития. Но так как мы уже убедились в обратном, мы можем даже утверждать, что именно сила тяготения нейтрино определяет процесс ускоренного расширения Вселенной – ведь доминируя в количестве и, как следствие, в массе, нейтрино преобладает и в гравитационном действии. Вполне взможно, что именно охлаждение нейтринных сгустков и «разбрасывание» их по космическому пространству может «раздувать» нашу Вселенную. Энергии для этого им вполне хватает, ведь они забирают ее у самих звезд.
По данным ученых Вселенная прекратит процесс расширения, как только достигнет критической плотности. Ранее считалось, что до нее еще довольно далеко (примерно 100 раз по возрасту современной Вселенной), но учитывая нововыявленные обстоятельства – наличие массы у частиц, плотность которых во Вселенной в 30 раз больше плотности другого вещества, – этот момент гораздо ближе, чем нам кажется. В этом случает сила тяготения нейтрино уже будет служить «тормозом» в расширении.
Также, это открытие проливает свет и на многие процессы, происходящие в период Большого Взрыва. Долгое время было неясно, каким же именно образом распределялась материя, составляющая теперь все небесные тела. Вначале она представляла собой однородное раскаленное вещество – плазму. Но что заставило ее так «раскучкуваться» в местах, где в дальнейшем были образованы галактики? И ответ снова – нейтрино. Дело в том, что уже по истечению 1 секунды после Большого Взрыва плазма перестала быть для этих частиц препятствием – они вышли за ее пределы, перестав участвовать во внутреплазменных реакциях. Тогда эти частицы, полные энергии, двигались со скоростью света и, взаимопревращаясь, с легкостью влетали и вылетали из «нейтринных облаков». Но со временем (приблизительно 300 лет) нейтрино растратили свою энергию, и их скорость уже не позволяла им так просто покидать «нейтринные сгустки». Так образовались плотнейшие скопления нейтрино. К этому времени плазма уже приостыла и стала менее плотной. Тут и сработала сила тяготения скоплений нейтрино, которая и «расшматовала» однородное вещество. Таким образом скопления вещества распределились по «нейтринным облакам», в дальнейшем превратясь в целые системы из небесных тел. Так в космическом пространстве появились галактики, размещенные в «нейтринных ячейках».
Все это делает так званую «частицу-фантом» невероятно интересной и важной для изучения. Если нам таки удастся с ней «подружиться», мы сможем намного ближе познакомиться с космосом и процессами, протекающими в его глубинах. Ведь в отличие от электромагнитных волн, излучений и т.п. нейтрино поступают к нам из самого центра событий – сердцевины звезд, например, таких, как Солнце, где участвуют в термоядерных реакциях. Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции длинной в световые года, они могут доставлять нам ценную информацию о всех этих процессах из самых дальних закоулков космоса.
Но более интересно даже другое. Всем известно, что во времена зарождения Вселенной вместе с материей сосуществовала и антиматерия. Мы знаем, например, что электрон имеет свою античастицу – позитрон, а протон – антипротон. И так со всеми частицами: свойства одинаковые, только заряд противоположный. Но в нашем мире почему-то стала преобладать обычная материя. Где же антиподы всем частицам? Существует гипотеза, что где-то во Вселенной может быть зеркальное отражение нашего мира – антимир из антивещества. Но даже если и предположить такое, найти его будет практически невозможно – несмотря на то, что все химические процессы там будут протекать при участии антиатомов, нашим физическим приборам этого не распознать: все излучения, поступающие к нам «оттуда» будут идентичны нашим. Единственный вариант обнаружить антимир – это поймать антинейтрино. (Так как нейтрино не имеет заряда, разница между ним и его антиподом заключается в направлении спина — говоря ненаучным языком, стороной вращения вокруг себя.) Ведь эта частица, точно также как нейтрино с электроном, принимает непосредственное участие в образовании позитрона (а также антимюона и антитау-лептона). Так что, зафиксировав однажды прилетевшее антинейтрино, мы сможем говорить об антиматерии, таящейся в космосе. Мысль эта, конечно, кажется до боли фантастической, но куда же в астрофизику и без капли фантазии?
Вот такие они, эти нейтрино. Настолько же интересные, насколько и полезные.
Источник