Нейтрино практически не взаимодействует с веществом. Что можно описать такими примерами: а) каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно пронизывают никак нами не ощущаемые 60 миллиардов солнечных нейтрино; б) длина свободного пробега нейтрино (от одного акта взаимодействия с веществом до другого) через среду с плотностью воды оказывается порядка сотни световых лет.
Но загадок за истекшее с момента его открытия время нейтрино загадало столько, что вряд ли ближайшие поколения физиков разгадают их полностью. Узнаем же, что это за загадки и как физики их пытаются разрешить.
Установлено, что существует три типа нейтрино - электронное (νе), мюонное (νμ) и тау-нейтрино (ντ). В только что рассмотренной нами Стандартной Модели массы этих нейтрино изначально считались равными нулю. Ибо в экспериментах не удавалось уловить разницу между скоростью движения нейтрино и скоростью света. И до сих пор не удается.
Первые попытки зафиксировать мощнейший поток нейтрино от Солнца начались в 60-х годах прошлого века и делались на нейтринных телескопах, представляющих собой расположенные в глубоких шахтах большие цистерны, наполненные чистейшим жидким изотопом хлора Cl37. Ядро которого в результате взаимодействия с нейтрино превращается в ядро Аргона Ar37 (с вылетом электрона). Сами же солнечные электронные нейтрино νе в большинстве своем рождаются в недрах Солнца в реакциях слияния ядер тяжелого водорода (дейтерия или трития) в ядро гелия. Интенсивность потока солнечных нейтрино рассчитывалась исходя из нынешней светимости Солнца в предположении непрерывности протекающих в недрах Солнца термоядерных реакций.
Наблюдения на таких телескопах показали, что поток электронных нейтрино от Солнца почти втрое меньше расчетного (считалось по числу ядер Ar37). Другие нейтринные телескопы вплоть до 90-х годов показывали аналогичный результат. Физики и астрофизики испытали длительный шок.
Поначалу возникла гипотеза о том, что в недрах Солнца термоядерная "печка" работает с переменной интенсивностью. Из-за конвекции. А именно, перегревшиеся в ходе термоядерной реакции массы солнечного ядра всплывают в область более холодной плазмы, где термоядерная реакция не идет из-за недостаточной температуры. А эта холодная плазма погружается в ядро Солнца, разогревается и в ней инициируется термоядерная реакция. И мы живем, якобы, в период такого всплытия-погружения. Расчеты периодов такой конвекции в моделях ядра Солнца дают величину порядка 200-300 млн. лет. Что по порядку величины близко к периодичности смены климата Земли от момента "Земли-снежка" до каменноугольного периода. На светимости Солнца такого рода процессы практически не сказываются. Поскольку рожденные в тех же реакциях фотоны, непрерывно рассеиваясь на протонах и электронах, просачиваются сквозь толщу Солнца многие миллионы лет. Но затем под давлением обнаруженного в экспериментах эффекта осцилляций нейтрино эта гипотеза приказала долго жить.
Второе поколение нейтринных телескопов постепенно научилось фиксировать не только электронные нейтрино, но и мюонные, и тау-лептонные. Но главное, оно научилось определять направление, откуда прилетело нейтрино. В них нейтрино, столкнувшись с молекулой чистой воды и выбив из нее электрон, показывает по направлению вылета электрона направление на источник нейтрино. Показывает потому, что электрон, движущийся в воде со скоростью больше скорости света в воде, излучает в направлении своего движения многие десятки фотонов в конусе, угол раствора которого зависит от скорости электрона (это черенковское излучение). Такие телескопы представляют собой погруженные в глубины океанов, глубоких озер типа Байкала или льда Антарктиды крупные сосуды или гирлянды небольших сосудов с идеально чистой водой, окруженные множеством фотоумножителей:
Схема Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 (работает с 1998 года).
В результате проведенных на новом поколении нейтринных телескопов наблюдений выяснилось, что общее число солнечных нейтрино хорошо согласуется с построенными астрофизиками моделями Солнца. Но в общем потоке достигших Земли нейтрино электронных оказалось примерно треть. А две трети солнечных нейтрино по дороге превратились мюонные и тау-лептонные нейтрино.
Процессы спонтанного превращения нейтрино одного типа в другой назвали нейтринными осцилляциями.
Из факта этих осцилляций был сделан вывод о наличии у нейтрино массы. Такой вывод можно считать естественным с точки зрения волн де Бройля, длина которых λдБ ~ 2πħ/mс обратно пропорциональна массе частицы. При разных массах нейтрино наложение их волн разной длины могло бы при некотором уровне фантазии трактоваться как их осцилляции.
По-видимому эта мысль привела к рождению модели трехкомпонентных нейтрино. По мысли ее авторов каждое из трех типов нейтрино, родившихся в неких актах слабого взаимодействия, состоит из трех компонент разных масс в разных весовых долях. Назовем эти компоненты ν1, ν2, ν3. Эти компоненты имеют некие фиксированные массы. А каждый из реальных нейтрино (νе,νμ,ντ) фиксированной массы не имеет. Все реальные нейтрино являются некими суперпозициями ν1, ν2, ν3. Рождаются реальные нейтрино, а распространяться могут только нейтрино определенной массы. Поэтому когда рождается, скажем, электронное нейтрино, то в нем компоненты ν1, ν2, ν3 четко сбалансированы друг с другом. Но по ходу движения эта балансировка может сбиваться и изначально электронное нейтрино в некоторой точке пространства окажется, например, мюонным. Или тау-лептонным. И за эту модель ее авторам в 2015 году была присуждена Нобелевская премия. Заслужено или нет - покажет будущее (когда будут измерены массы нейтрино или их компонент).
Образ описанных выше явлений составить, конечно, непросто. Но вспомнив, что движущиеся с одинаковой скоростью частицы разных масс, будучи представленными в виде волновых пакетов, будут иметь разные пространственные периодичности (длины волн де-Бройля λдБ ~ 2πħ/mс). Поэтому можно нарисовать простейший двухкомпонентный аналог трехкомпонентной реальности. Понятный без дополнительных пояснений.
Экспериментальные попытки определить массы нейтрино к конкретным результатам пока не привели. Но в разных экспериментах определены верхние границы этих масс. Разные. Которые, по крайней мере, в сотни и тысячи раз меньше масс соответствующих лептонов (электронов, мюонов, тау-лептонов). Скорее всего, именно по этой причине отличить скорости нейтрино от скорости света в экспериментах пока не удается.
По последним данным сумма масс всех трех типов нейтрино < 0,3 эВ (это гораздо меньше цифр, приведенных в предыдущем параграфе в таблице частиц Стандартной модели). Отсюда следует приближенная нижняя оценка длины волны де Бройля для нейтрино: λдБ ~ 10‾³ см. Что для микромира чудовищно большая величина (на 5 порядков больше де Бройлевской длины волны электрона в атоме водорода).
Пройдет, очевидно, еще много лет или даже десятков лет, прежде чем массы всех типов нейтрино или их компонент будут определены в экспериментах. Заодно придется подправлять и Стандартную модель. И за все это, конечно, будут даны Нобелевские премии.
Journal information