Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Необходимо признать, что это было существенное достижение, однако оно далеко не решило всех проблем. Идеальной проверкой для SNO был бы опыт по измерению всех трех ароматов нейтрино, без необходимости сравнения результатов этой обсерватории с данными из Super-K. Именно эту задачу и поставили перед собой канадские физики. В течение следующего года они предоставили точные данные о том, сколько нейтрино каждого из ароматов удалось зафиксировать. Суммарные результаты полностью совпали с теми, что были теоретически предсказаны в модели Джона Бакала. Действительно, электронные нейтрино составляли лишь треть от всех, прилетающих к нам от Солнца. Остальные две трети приходились на мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, удалось доказать, что образующиеся на Солнце электронные нейтрино по пути к Земле действительно меняют аромат. Физик Эд Кёрнс из Бостонского университета объясняет: «Super-K фактически сообщил нам только общий баланс на счете, а SNO позволил изучить и приходную, и расходную часть».

Эти открытия полностью подтвердили правоту Дэвиса и Бакала. Измерения Дэвиса и расчеты Бакала относительно солнечных нейтрино с самого начала были правильными. На самом деле совпадение между прогнозом Бакала и количеством нейтрино, отловленных в SNO, оказалось удивительно точным. Сам Джон был настолько окрылен сознанием собственной правоты, что даже признался одному журналисту: «Было такое ощущение, словно я танцую». Позже Бакал говорил: «Представьте, 30 лет все указывали на меня пальцем и говорили: “Это тот самый парень, который неверно рассчитал поток нейтрино от Солнца” – и вдруг оказалось, что я прав. Все равно как если бы человека давным-давно осудили за какое-то гнусное преступление, а затем сделали анализ ДНК и выяснили, что он, оказывается, невиновен. Именно так я себя тогда чувствовал». Наконец-то астрономы могли с полным правом сказать, что вполне понимают, как именно на Солнце образуется энергия. Кроме того, теперь у них появился новый метод, позволяющий измерить температуру в недрах Солнца – за миллионы километров от нас. Дело в том, что количество солнечных нейтрино, образующихся каждую секунду, значительно меняется в зависимости от температуры ядра. Физики получили важнейшие подтверждения правильности прогнозов Понтекорво: оказалось, что нейтрино действительно меняют аромат и имеют ненулевую массу, хотя это и противоречит стандартной модели.

Вероятно, эти открытия очень впечатлили и весь Нобелевский комитет: в 2002 г. за свои исторические достижения половину Нобелевской премии по физике поделили Рэй Дэвис и Масатоси Косиба из лаборатории Kamiokande. Премия была вручена с формулировкой «за первый весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино». Джон Бакал награжден не был, несмотря на поразительное подтверждение его гипотетической солнечной модели. Многие коллеги сочли, что Бакала несправедливо обделили.

Среди физиков распространено мнение, что в будущем Нобелевский комитет также планирует вручить еще одну премию – за открытие осцилляций нейтрино. В конце концов, Нобелевская премия 2002 г. была присуждена за экспериментальное обнаружение нейтрино и соответствующий вклад в астрофизику, а не за открытие изменчивости этих частиц. Эд Кёрнс полагает, что присуждение Нобелевской премии за открытие осцилляций нейтрино – это «вопрос времени». Угадывание будущих лауреатов – излюбленная кулуарная игра в физическом научном сообществе. Кёрнс и некоторые его единомышленники полагают, что хотя бы часть этой потенциальной премии должна быть присуждена Арту Макдональду, лидеру команды SNO. Не столь понятно, кто из группы Super-K может рассчитывать на часть этой премии, поскольку руководитель лаборатории Ёдзи Тоцука умер в 2008 г. Следующими вероятными кандидатами являются Ёитиро Судзуки и Такааки Кадзита – они оба сделали большой вклад в работу Super-K. «Было бы здорово, если бы премию присудили всем троим. Каждый октябрь я с нетерпением жду, вдруг это произойдет», – признался мне Кёрнс. Джон Лирнид из Гавайского университета согласен с Кёрнсом по двум из этих кандидатов – Макдональду и Кадзите, но считает, что третья часть премии должна достаться Ацуто Судзуки, физику из лаборатории KamLAND, где изучаются осцилляции нейтрино, образующихся в ядерном реакторе.

Открытие осцилляций нейтрино имеет для науки далекоидущие последствия. Во-первых, факт осцилляций означает, что нейтрино обладают массой, несмотря на то, что это противоречит Стандартной модели. Следовательно, у нас есть первое весомое доказательство в пользу неполноты этой модели. Во-вторых, измерение осцилляций нейтрино открывает перед нами путь к «новой физике» – этим термином обобщенно именуют все феномены, которые не учитываются в стандартной модели. Карстен Хигер, физик из Висконсинского университета в Мадисоне, в разговоре со мной сказал следующее: «Традиционная физика частиц всегда лишь подтверждала Стандартную модель. Осцилляции нейтрино стали первым признаком того, что физика не ограничена Стандартной моделью. Это открытие – настоящий прорыв в физической дисциплине».

Открытие массы у нейтрино представляет интерес и для космологии. Нейтрино – вторые по распространенности частицы во Вселенной (после фотонов), поэтому если каждый нейтрино обладает хотя бы минимальной массой, то общая масса этих частиц может оказаться довольно значительной. Некоторые специалисты по космологии надеялись, что именно из нейтрино может состоять таинственная темная материя, факт существования которой известен только по гравитационному воздействию этой материи на галактики и скопления галактик. Однако масса нейтрино все-таки слишком ничтожна, чтобы именно на нейтрино могла приходиться вся темная материя. Таким образом, должна существовать какая-то другая частица (или частицы), еще неизвестные физической науке. Охота продолжается, но подходящая «дичь» пока не найдена.

Открытия, сделанные в лаборатории Super-K и SNO, подготовили почву для новых экспериментов с нейтрино. Цель этих экспериментов заключается в точном измерении того, как именно нейтрино переходят из одного аромата в другой. Физики часто характеризуют такие осцилляции в контексте параметров, называемых «углы смешивания». В схожем контексте принято описывать аэродинамику самолета, в которой различаются параметры «тангаж», «крен» и «рыскание». Два из трех углов смешивания удалось измерить в лабораториях Super-K и SNO, а величина третьего, называемого «Ө13» (тета-один-три), оставалось неизвестной. Измерив все три угла смешивания, физики смогут точно определить попарные разности масс трех состояний нейтрино. Более того, в этом случае нас, вероятно, ждут новые интересные открытия в области новой физики, связанные с мельчайшими деталями преобразований нейтрино. В настоящее время ученые активно ищут ответ на вопрос, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино – аналог нейтрино, состоящий из антивещества. Если эти свойства не совпадают, то понимание различий между нейтрино и антинейтрино может оказаться важнейшим шагом к ответу на вопрос: почему во Вселенной наблюдается настолько больше вещества, чем антивещества? Мы подробнее обсудим эту проблему в главе 7. Второй актуальный вопрос, стоящий перед физиками, – существуют ли и другие ароматы нейтрино кроме известных трех? Некоторые экзотические теории предполагают существование четвертого аромата, условно именуемого «стерильные нейтрино». Такие нейтрино якобы вообще не взаимодействуют с материей, но их можно обнаружить косвенными методами. Вероятно, обнаружить этот наиболее инертный сорт нейтрино будет гораздо сложнее, чем остальные. Но с космологической точки зрения стерильные нейтрино могут играть заметную роль, если их общая масса достаточно велика и сопоставима с массой темной материи.

В новейших экспериментах по изучению осцилляций используются нейтрино техногенного происхождения – в частности, получаемые из ядерных реакторов и ускорителей частиц, – а не солнечные или атмосферные нейтрино, как в лабораториях Super-K и SNO. Вскоре после открытия осцилляции солнечных нейтрино японские физики подтвердили реальность этого феномена, измеряя нейтрино из ядерных реакторов, расположенных в районе Камиока. Действительно, через детектор прошла лишь часть испущенных нейтрино, в согласии с представлением о том, что по дороге от реактора часть из них сменила аромат. В ускорителях образуются целые лучи нейтрино; благодаря этому ученые могут с точностью определять количество, типы и энергии этих частиц. В США был поставлен эксперимент MINOS, в ходе которого луч нейтрино из лаборатории Fermilab близ Чикаго направляли в детектор, расположенный на севере штата Миннесота примерно в 720 км от лаборатории в заброшенном железном руднике Судан. MINOS также зафиксировал осцилляции нейтрино.