И все-таки есть масса! Александр Алешин.

О сайте Главная Гипотезы

Отрадно, что двадцатый век завершается действительно фундаментальными научными открытиями. Нейтрино имеет массу.

Масса Вселенной так велика, что она стянется в точку.

И все-таки есть масса!

Александр Алешин

5 июня на крупной международной конференции «Нейтрино 98» в японском городе Такаяма было объявлено, что у нейтрино есть масса. Это открытие имеет беспрецедентное значение не только для физики элементарных частиц, но и для космологии. Хотя обнаруженная масса нейтрино ничтожно мала — в десять миллионов раз меньше, чем у электрона, – этих частичек невероятно много в космосе (в 50 миллиардов раз больше, чем электронов), и они могут составлять значительную часть всей Вселенной, а значит и определять ее судьбу. Масса Вселенной в таком случае оказывается так велика, что современное ее расширение через много миллиардов лет сменится сжатием и она стянется в точку.
«Это одно из тех открытий, которого весь научный мир ждет и ищет десятилетиями, – сказал известный американский астрофизик из Принстона Джон Бакалл. – Это колоссальный шаг вперед».
Открытие массы нейтрино очень важно для современной теории частиц, называемой Стандартной моделью. Она содержит свод правил, по которым частицы взаимодействуют друг с другом, а также схемы их устройства. По этой теории у нейтрино массы быть не должно, но в последние годы возникли определенные трудности в объяснении некоторых явлений и вновь найденная масса позволит расширить рамки нынешней модели.
«Эта удивительная находка может стать ключом к поискам Святого Грааля физики – Единой Теории Всего, – подчеркнул на конференции физик из университета на Гавайях Джон Лернд. – Раз в жизни доводится участвовать в получении столь великих результатов».
Физики стремятся создать такую теорию, чтобы объяснить все взаимодействия вещества и энергии. Нейтрино – один из самых таинственных обитателей «заповедника» элементарных частиц. У него нет заряда — отсюда и возникло имя «маленький нейтрончик», которое придумал в 1931 году известный итальянский физик Энрико Ферми (кстати, по аналогии с Буратино и Чипполино).
Нейтрино не участвует в сильных взаимодействиях, склеивающих протоны и нейтроны в ядра. А поскольку у него нет заряда, оно безразлично к электромагнитным силам. Поэтому-то нейтрино взаимодействует с веществом крайне слабо: триллионы их пронизывают наше тело за минуту, не оставляя никакого следа. Очень-очень редко одна частичка из огромного потока наталкивается на ядро атома – вот этот след и видят физики-экспериментаторы. Самого же нейтрино, конечно, никто и никогда непосредственно не фиксировал.
Всю историю «существования» нейтрино его сопровождают удивительные загадки. Исследователи уже давно пришли к выводу, что есть три разновидности нейтрино – электронное, мюонное и тау=лептонное – каждое названо в честь частицы, вместе с которой оно рождается. Почти четверть века экспериментаторы регистрируют поток нейтрино от Солнца, но получается он у них гораздо меньше, чем предсказывает теория. Эта нехватка стабильно наблюдается на различных установках.
Возможным объяснением такого дефицита могла стать осцилляция – превращение одного сорта нейтрино в другое по пути от Солнца к Земле. Но это возможно только в том случае, если у нейтрино есть масса — тогда подобные превращения осуществимы и проблема нехватки устраняется. До последнего же года считалось, в соответствии со Стандартной моделью, что нейтрино массы не имеет, и проблема никак не решалась.
Для того чтобы заметить крошечную массу нейтрино, японским физикам пришлось построить детектор «Супер-Камиоканде» стоимостью в сто миллионов долларов и упрятать его в старой шахте для добычи цинка на глубине больше километра под горой Икена в Японских Альпах. Установка на девяносто процентов финансируется японским правительством, а на десять – Соединенными Штатами. На ней работают американские экспериментаторы из университетов Ирвина, Висконсина, Бостона и Гавайев.
Громадный цилиндрический детектор содержит 12,5 миллионов галлонов сверхчистой воды, окруженной тысячами специальных приборов – фотоумножителей, которые могут регистрировать свет. Возникает он вот откуда: нейтрино летят с огромной энергией и те, что налетают на атомы воды, выбивают из них тоже весьма «энергичные» электроны. А эти частицы пронизывают воду и испускают излучение Вавилова – Черенкова. Вот его-то и регистрируют фотоумножители. В гигантском цилиндре за день наблюдается пять – шесть нейтринных взаимодействий.
Нейтрино в установку прилетали как сверху, рождаясь во взаимодействиях космических лучей с атмосферой, так и снизу – из-под Земли. Из-за слабости взаимодействия с веществом толща нашей планеты для большинства частиц из потока нейтрино – не преграда. По соображениям симметрии поток нейтрино «сверху» и «снизу» должен быть одинаков – атмосфера ведь везде одна и та же, как и поток космических лучей. Но те, что возникли «снизу», должны еще лететь до установки более 12 тысяч километров.
Экспериментальный результат состоит в том, что «снизу» в установку поступало в два раза меньше нейтрино, чем сверху. Это может значить лишь одно: по пути к детектору сквозь Землю часть нейтрино «поменяла сорт» и установка их «не видит» – она настроена лишь на электронные нейтрино. А такое превращение по пути, как говорилось, возможно лишь, если у нейтрино есть масса. Поэтому делается вывод о ее наличии.
Ради объективности стоит отметить, что подобные поиски начались более двадцати лет назад. Самый известный результат – обнаружение массы у нейтрино в начале восьмидесятых годов московскими экспериментаторами из Института теоретической и экспериментальной физик и под руководством профессора В. А. Любимова. Опыты были невероятно сложны, а чувствительность так высока, что измерения приходилось проводить ночью, чтобы их не искажали искры от трамвайных дуг.
Позднее оказалось, что результат был неправильным, но он пробудил колоссальный интерес во всем мире к поискам массы нейтрино. До этого задача казалась неразрешимой, а москвичи тогда показали, что можно и нужно пробовать. И вот через двадцать лет этот поиск увенчался успехом. Отрадно, что двадцатый век завершается действительно фундаментальными научными открытиями.

Дата публикации: 15 января 2004 года

В начало

Источник информации: «Знание – сила», № 9 – 10, 1998.
Электронная версия.

Главная • О сайте • Гипотезы