Если вы думаете, что вакуум – это настоящая пустота, то вы сильно
ошибаетесь. Даже холодное межзвездное пространство, не говоря уж об
искусственно созданном вакууме, не так уж и пусто. На один кубометр
Вселенной в среднем приходится один протон и один электрон. Еще в этом же
кубике в среднем бывает 500 миллионов реликтовых фотонов и столько же
реликтовых нейтрино. Наша Вселенная не только светится изнутри, с первой
миллисекунды Большого Взрыва, но и «нейтринится» настолько же интенсивно.
Заинтригованы? А знаете ли вы, что:
-
Нейтрино – неотъемлемая часть термоядерной реакции, дающей жизнь
звездам. -
Антинейтрино уносит на просторы Галактики около 2% энергии ядерного
реактора. -
Привычный нам «нейтрон» мог бы символизировать нейтрино, если бы дебаты
о существовании таинственной частицы не затянулись бы до открытия
настоящего нейтрона.
Существование нейтрино остро требовалось для поддержания веры в закон
сохранения энергии, пошатнувшейся в 1931, когда даже великий Нильс Бор готов
был отказаться от основы основ всей физики. Гипотеза Паули о существовании
электрически нейтральной и очень легкой частицы, выдвинутая еще в 1930,
вызывала горячие споры на протяжении четверти века, особенно после открытия
в 1942 нейтрона (и современной теории ядра и ядерного распада, давшей толчок
к созданию атомной бомбы).
Предсказанная теоретически, частица могла наблюдаться только косвенными
методами. Если сейчас такой подход практически не вызывает сомнения у
физиков, то более полувека назад доказательства считались эфемерными и
сомнительными. В чем соль проблемы? В том, что нейтрино крайне сложно
уловить напрямую. Классический эксперимент по нахождению нейтрино – это
обратный бета-распад:
антинейтрино + протон -> позитрон + нейтрон + фотоны
В дальнейшем нейтрон захватывался веществом детектора с выделением фотонов.
То есть две вспышки света, следующие с интервалом — это признак
антинейтрино. Вы бы поверили?
Нейтринные детекторы располагают в толще вещества – в горах, во льдах
Антарктиды, в шахтах – именно чтобы исключить любые побочные каналы
образования «вспышек», кроме всепроникающего нейтринного канала. Водяной
детектор является удобным контейнером для захвата нейтронов. Упрощенно,
детектор нейтрино – это гигантский ледяной куб (сцинтиллятор), в который
вставлены спицы из фотонных детекторов, регистрирующие малейшие выбросы
излучения.
Две вспышки – вот и нейтрино. Верится с трудом, но таких экспериментов было
поставлено много, набрана статистика. И главное, нейтрино стало только
первой ласточкой в новой модели теоретической физики, когда теория шла
впереди эксперимента, и предсказывала существование частиц и эффектов
задолго до их экспериментального подтверждения. Нейтрино было теоретически
изобретено, «подогнано» по свойствам для объяснения расхождений в
эксперименте, и лишь затем косвенно обнаружено. Нейтрино нельзя пощупать и
измерить общим аршином, оно такое особенное, и в него остается только верить
🙂
Физическая уникальность нейтрино – в отсутствии электрического заряда (не
участвует в электромагнитных взаимодействиях) и «цвета» (неподвластно
квантовой хромодинамике). Остающиеся «слабое» и гравитационное
взаимодействия соответственно в миллион и в 10^(-38) степени раз менее
интенсивны, чем «сильное». В итоге нейтрино путешествует по Вселенной,
пронзая материю и время, имея крайне невысокие шансы быть замеченной и
«схваченной» другой частицей. Также неподвластные хромодинамике другие
лептоны (электрон, мюон и таон) имеют электрический заряд, и на роль вечных
путешественников в пространстве не годятся.
Кстати, насчет единственности нейтрино споры ведутся не менее бурные. Если
оно действительно нейтрально во всех смыслах, что же такое антинейтрино?
И в чем их разница? Ведь если у электрона есть привычный нам отрицательный
электрический заряд (тоже сама по себе условность, кстати – можно было бы
электроном назвать позитрон, и наоборот), то у нейтрино никаких зарядов нет.
Можно совершенно точно сказать, что выбор частицы и античастицы в данном
случае был полностью произвольный, терминологический. Отличия же нейтрино от
антинейтрино пришлось объяснять нобелевскому лауреату Ландау и его теории
глубинной CP симметрии (симметрии по заряду-четности). Правда, в 1964
благополучно доказали нарушение CP симметрии в распаде нейтрального каона,
что привело в итоге к предсказанию третьего поколения кварков, но это
отдельная история. Считается, что проведенный ряд экспериментов не обнаружил
никаких реакций, противоречащих фундаментальной разнице нейтрино и
антинейтрино, то есть можно считать их различными.
Поиски отличий нейтрино от антинейтрино и так называемого лептонного заряда
привели к теоретическому предположению, доказанному экспериментально в 1962
году – нейтрино не так уж и нейтрально, как предполагалось изначально. Оно
имеет лептонный заряд, и все лептоны делятся на семейства (три в современной
Стандартной Модели, а на тот момент было известно первых два), и нейтрино
бывает электронное, мюонное и таонное. Физические следствия этого открытия
крайне интересны – поскольку семейства частиц позволяют строить теории
Великого Объединения и эволюции материи, но для нашего простого экскурса
отметим, что нейтрино – это не одна частица, а целых три (плюс три их антипода).
Чем еще интересно нейтрино? Например, физика нейтрино не требует вложения
триллионов долларов и постройки Большого Адронного Коллайдера. На пятом
курсе мы каждую неделю ездили в Протвино на протонный синхротрон У-70,
который регулярно используется и поныне для научных экспериментов. Комплекс
Меченых Нейтрино, передовой прорыв физической мысли в те годы, и сейчас не
потерял актуальности.
Но помимо ускорителей и реликтового фона, есть еще мощные источники нейтрино
– звезды. Наблюдение нейтрино, испущенных звездами, доказало термоядерную
природу звезд — что, вообще говоря, неочевидно – ведь типов звезд много, и
наше солнце не самое представительное и интересное среди них. И нейтринная
астрономия – реально существующая наука. Во-первых, нейтрино в звездах
образуются (помните тизер в начале? нейтрино является обязательным
компонентом термоядерной реакции), а во вторых они прошивают другие звезды
насквозь и доходят до Земли. Что, теоретически, может дать нам информацию из
самых звездных недр. Нейтринные телескопы на самом деле находятся глубоко в
толще Земли, и детектируют поток частиц, проходящий через толщу Земли, с ее
обратной стороны! Такие телескопы функционируют во многих странах, включая и
Россию —BAIKAL на
глубине 1км в водах Байкала, и Баксан на
Кавказе.
Из области фантастики (но не абстрактной, а ограниченной всего лишь
чувствительностью приборов) – именно нейтринная астрономия способна доказать
существование антимиров — галактик, целиком состоящих из антивещества. Ведь
“антизвезды” генерируют такой же неотличимый поток стандартных фотонов, как
и обычные звезды. А вот мощнейший поток нейтрино от них будет весь иметь
приставку «анти». Также нейтринный телескоп очень хорошо может
определить коллапс звезды (в сверхновую, черную дыру или в карлик) в
пределах нашей Галактики.
И на десерт: с нейтрино связаны еще два парадокса и множество теорий,
которые подтвердить или опровергнуть на данный момент невозможно. Поток
нейтрино от солнца стабильно меньше теоретически рассчитанного, вот уже
много десятилетий. Теория, пытающаяся объяснить недостачу – это осцилляция
нейтрино, превращение одного типа в другой (электронного в мюонное),
несохранение лептонного заряда, соответственно, летящая к чертовой бабушке
симметрия и триумф сторонников теорий Великого Объединения, для которых все
равны (но только при высоких энергиях). Но если нейтрино осциллируют, то они
имеют ненулевую (и различную) массу. А ненулевая масса нейтрино осложнит
жизнь физикам-теоретикам, зато свободно вздохнут астрономы – у них не
сходится дебет с кредитом, наблюдаемая масса Вселенной критически меньше
необходимой по теории. И «скрытая» материя тогда могла бы быть почетно
отдана во власть всепроникающих и неуловимых нейтрино, получивших массу.