загрузка...

Нейтрино

  • 16.06.2010 / Просмотров: 8460
    //Тэги: Гордон   ядерная физика  

    Можно ли взвесить нейтрино? Что это за частица, кем и когда она была открыта? Почему вопрос о массе нейтрино является одним из центральных в физике? Об экспериментах по поиску массы нейтрино в β-распаде трития - физики Владимир Лобашев и Семен Герштейн.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Александр Гордон. …историю, как эта частица –
когда-то мифическая, в существовании которой сомне-
вались очень многие – была названа. Можете расска-
зать эту историю и вообще историю появления нейтри-
но в физике?
Семен Герштейн. Вы знаете, это действительно
очень поучительная история…
Владимир Лобашев. Хотя и не единственная тако-
го сорта.
Семен Герштейн. Радиоактивность, как известно, бывает альфа,
бета и гамма. Альфа-частица при распаде какого-то
ядра всегда вылетает с определенной энергией, пото-
му что это двухчастичный распад и его определяют за-
коны сохранения энергии и импульса. А вот бета-элек-
троны вылетают с разными энергиями, энергия куда-то
теряется. И это был кошмар для физиков 20-х годов.
Проверяли всячески – но энергия ускользала. Даже ве-
ликий Бор предположил, что, может быть, энергия со-
храняется не точно, а только статистически. Более то-
го, Ландау даже думал, что энергия звезд может быть
связана с этим процессом. Об энергии звезд, я думаю,
мы тоже поговорим и о связи ее с нейтрино.
Гипотезу о том, что, может быть, вместе с электро-
ном улетает какая-то нейтральная частица, которая
обладает большой проникающей способностью, была
высказана швейцарским физиком Вольфгангом Паули.
Владимир Лобашев. Гипотеза была изложена в письме, где, кроме
всего прочего, Паули объяснял свое отсутствие необ-
ходимостью подготовиться к новогоднему балу.
Семен Герштейн. Он написал письмо: «Дорогие радиоактивные
дамы, радиоактивные господа, я думаю, что может
быть такая вещь», – он думал, что нейтрино вылета-
ет из ядра. Вечером в пивной он сказал своему другу,
тоже впоследствии знаменитому астроному Бааде: «Я
сделал нечто недостойное для теоретика – я выдвинул
гипотезу, которую никогда нельзя будет проверить». На
что Бааде предложил ему пари на бутылку шампанско-
го, которое любил Паули, и сказал, что когда обнару-
жат, тогда и разопьем. В 56-ом году, когда впервые до-
стоверно обнаружили нейтрино, Бааде напомнил Па-
ули об этом и они с удовольствием распили бутылку
шампанского.
Для того чтобы включить нейтрино в бета-распад,
Ферми пришлось придумать новый тип взаимодей-
ствия. По существу, тогда были известны только элек-
тромагнитные и гравитационные взаимодействия. И
чтобы объяснить вылетание нейтральной частицы,
Ферми предположил еще одно взаимодействие, его
назвали специальной бета-силой, в которой рождают-
ся электрон и нейтрино. Правда, из математического
удобства…
Владимир Лобашев. Слово «нейтрино», имя «нейтрино» все-таки
возникло сразу же. «Нейтрино» – это «нейтрончик» в
переводе с итальянского.
Семен Герштейн. Кстати, в этом письме Паули отождествлял ней-
трон и нейтрино. Но когда он понял, что должна быть
меньшая масса, он от этого отказался. Но в каком-то
смысле в этом шутливом письме он предсказал и ней-
трон, и нейтрино. Но для удобства математического
описания он назвал это антинейтрино.
Теперь смотрите, какую роль сыграло вообще в фи-
зике антинейтрино. Сразу же, как только была опубли-
кована работа Ферми – это 33-й год – Игорь Евгенье-
вич Тамм и Дмитрий Дмитриевич Иваненко независи-
мо предложили с помощью бета-сил объяснять ядер-
ные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре.
Но когда все сосчитали – увидели, что не хватает 14
порядков. Однако эту работу Игорь Евгеньевич считал
одной из лучших своих работ, несмотря на Нобелев-
скую премию, которую он получил совсем за другое.
И действительно, эта работа Тамма и Иваненко сти-
мулировала японского физика Юкаву, который воспри-
нял идею обмена частиц и предположил, что протоны и
нейтроны в ядре обмениваются какой-то неизвестной
частицей, а силу взаимодействия, поскольку это неиз-
вестная частица, он мог приписать любую. И из ради-
уса действия ядерных сил, который был эксперимен-
тально известен, он указал массу – примерно 200-300
электронных масс. И почти сразу в космических лучах
такая частица была найдена – с массой не то 200, не
то 300 – опыты были грубые.
Но оказалось, что она обладает совсем не теми
свойствами, что частицы Юкава. Она слабо взаимо-
действует с веществом, проходит всю атмосферу в
космических лучах. Пи-мезон не мог бы это сделать,
там десять длин поглощение. И это была тоже некая
трагедия. В 44-ом году, во время войны, специально
устроили экспедицию на гору Арагац, создали лабора-
торию Алиханяна и Алиханова для изучения этого во-
проса. Но, к сожалению, их здесь подвел темперамент.
Они обнаружили слишком много частиц, получили да-
же за это Сталинскую премию. Назвали их варитроны
и так далее. Оказалось, что среди этих частиц и бы-
ла нужная частица. Но это сделал уже Блекетт – ан-
глийский физик, Паули и Оккиалини. Они обнаружили,
что действительно есть частица Юкава, которая распа-
дается на частицу, которую назвали мю-мезон, и ней-
тральную частицу, которую назвали нейтрино. Но, во-
обще говоря, никаких данных, что это то же самое ней-
трино, что и в бета-распаде, не было. Оказалось, что
это другое нейтрино.
Можно и дальше говорить, какую роль сыграло ней-
трино. Потом открыли то, что называется «не сохране-
ние четности в слабых взаимодействиях», то, что зако-
ны природы не зеркально-симметричны, как это проис-
ходит в электромагнитном поле и для сильных взаимо-
действий. Независимо друг от друга несколько человек
– Ландау, Ли, Янг, Салам, все Нобелевские лауреаты
впоследствии, – предположили, что нейтрино является
спиральной частицей. Спиральная частица – как вин-
тик, у нее вращение направлено против импульса, это
доказали эксперименты. Такая частица должна была
быть безмассовой, мы к этому вернемся. Безмассовой,
потому что если у нее есть масса, а скорость меньше
скорости света, то, если вы сядете в систему коорди-
нат, движущуюся вместе с частицей или даже быстрее
её, то импульс и вращение сменятся с левого на пра-
вое.
Владимир Лобашев. Это-то как раз было трагедией для эксперимен-
таторов, потому что заранее постулируется, что части-
ца не имеет массы. Что еще можно искать? Но, тем
не менее, надо отдать должное экспериментаторам то-
го поколения – они начали искать массу с самого на-
чала. Хотя уже существовала гипотеза о Вейлевском
нейтрино, ужасно красивая.
Семен Герштейн. Автоматически предсказывалось, что масса
ноль.
Владимир Лобашев. Да, масса ноль и зачем искать? Но, тем не ме-
нее, поиски начались буквально почти с момента по-
явления гипотезы о существовании нейтрино. И в этом
деле очень большую роль сыграл распад трития, пото-
му что тритий оказался наиболее, как говорится, «ко-
мильфо» для этих экспериментов, поскольку он обла-
дал очень маленькой, по меркам радиоактивных ве-
ществ, энергией распада. И поэтому уже сразу было
видно: раз он существует, распадается, значит, масса
нейтрино меньше энергии перехода. А это означало,
что масса нейтрино меньше, чем масса электрона, по-
чти в сотню раз. Но тогда несложно предположить, что,
наверное, она близка к нулю.
Александр Гордон. Он и есть.
Владимир Лобашев. А вот есть или нет – это тогда абсолютно не бы-
ло известно.
Семен Герштейн. Оказалось, что очень красивые теоретические
соображения позволяют понять, что масса нейтрино –
ноль. Но я хотел бы продолжить.
Дальше две пары американских физиков Фейнман и
Гелман, с одной стороны, и еще раньше Маршак и Су-
даршан использовали идею спиральности и решили,
что все частицы – и массивные, и электроны, и прото-
ны, – имеющие массу, тоже входят слегка левым обра-
зом. На основе этого предположения им удалось со-
здать теорию бета-распада, а к тому времени были из-
вестны и другие события, где участвовали бета-силы.
И одно из первых предположений возникло в 46-
ом году, когда выяснилось, что частицы, предполагали
юкавскими, в веществе живут долго. Понтекорво пред-
положил, что эти мю-мезоны захватываются ядрами
наподобие того, как иногда электроны захватываются
ядрами с испусканием нейтрино. Отсюда пошла гипо-
теза об универсальности слабых взаимодействий, что
бета-силы не одиночные силы, а все распады с испус-
канием нейтрино и других частиц, связаны со слабы-
ми взаимодействиями. А форма взаимодействия была
такая, как если бы два тока обменивались частицей,
имеющей спин единицу. Когда это было выяснено, бы-
ла создана единая теория электрослабых взаимодей-
ствий, объединили слабые взаимодействия с электро-
магнитными. Точно так же, как в 19-ом веке Фарадей и
Максвелл обнаружили единство магнитных и электри-
ческих сил, так обнаружено было и это единство сла-
бых и электромагнитных взаимодействий.
Нейтрино в этом сыграло выдающуюся роль, пото-
му что так называемый «V-А вариант» был построен
по типу взаимодействия левых и правых частиц. И это
блестяще подтвердилось. Принципы, на которых бы-
ла построена теория, потом использовались уже в тео-
рии сильных взаимодействий – взаимодействий квар-
ков. Возникла новая наука «квантовая хромодинами-
ка».
Последние открытия, о которых Владимир Михайло-
вич будет говорить, показывают, что нейтрино поведет
нас еще и дальше, возможно, действительно к фунда-
ментальнейшим следствиям.
Владимир Лобашев. Вглубь Вселенной.
Александр Гордон. Как?
Владимир Лобашев. Нейтрино вместе с реликтовым фотоном явля-
ется самой распространенной частицей в мире, то есть
на каждый, скажем, нуклон или же тяжелую частицу
приходится примерно десять в девятой степени ней-
трино. То есть, вообще говоря, мы находимся в ней-
тринном море…
Семен Герштейн. «Нейтрино вокруг нас».
Владимир Лобашев. Особенно большую роль это играло в момент
биг-бенга, то есть рождения Вселенной. Тогда вообще
существовали только электромагнитная плазма и ней-
трино. А потом, при расширении, нейтрино смогли бы
взаимодействовать друг с другом и за счет флуктуации
образовать зародыши галактик…
Семен Герштейн. Если бы у них была масса.
Владимир Лобашев. И вот теперь вопрос: галактики-то существуют.
А действительно ли нейтрино вызвало это? По иссле-
дованиям реликтового излучения, действительно, ней-
трино вроде бы имеют малую массу и способны вы-
звать эти флуктуации. Теперь дело за подтверждени-
ем этого экспериментами на Земле.
Семен Герштейн. Но, в конечном счете, твой эксперимент показы-
вает, что это не так. Нейтрино играют во Вселенной ко-
лоссальную роль, но не…
Александр Гордон. Дайте, я попробую задать вопрос, а вы пойме-
те, понимаю я, о чем идет речь или нет. Нейтрино мно-
го, и они обладают маленькой, но массой. За счет об-
щего количества этих частиц можно предположить об-
щую массу нейтрино во Вселенной и таким образом
избавиться от давно мучащего нас вопроса: почему
та материя, которую мы имеем, занимает такой незна-
чительный процент? Так теперь, оказывается, списать
это на нейтрино не получается, даже если мы учиты-
ваем, что нейтрино может изменяться?
Владимир Лобашев. Несомненно, что нейтрино в начале, примерно,
по-моему, 400000 лет после биг-бенга, играли лидиру-
ющую роль в образовании флуктуации. Я думаю, что…
Семен Герштейн. Нет, нет. Вы очень хорошо поняли тему, потому
что как раз из этих соображений Яков Борис Зельдо-
вич и я оценили верхний предел на массу всех типов
нейтрино. Он тогда был примерно в тысячу раз, ска-
жем, меньше, чем масса электрона. Сейчас эта цифра
опять уменьшена, до 20 электрон-вольт… Но ваш во-
прос совершенно правильный. Потому что из этих со-
ображений мы и оценили в свое время верхнюю грани-
цу. Но… оказалось, что существует три типа нейтрино.
Массу электронного нейтрино Владимир Михайлович
с рекордной точностью ограничил верхним пределом
– два электрон-вольт сейчас, да?
Владимир Лобашев. Да.
Семен Герштейн. То лабораторные эксперименты для мюонно-
го нейтрино дают верхнюю границу в 300 килоэлек-
трон-вольт, это почти 160 масс электрона. А для так
называемого тау-нейтрино прямые эксперименты да-
ют массу 15 миллионов электрон-вольт. То есть в 30
раз больше. Это прямые солнечные эксперименты. А
вот из космологических данных на все эти массы мож-
но было дать меньший верхний предел. Но в принципе,
этот предел позволял бы, как говорит Владимир Ми-
хайлович, соорудить, так сказать, галактики, скопле-
ние галактик и так далее.
Владимир Лобашев. А также звезды, планеты и человека…
Семен Герштейн. Но благодаря экспериментам последних лет,
которые произвел Владимир Михайлович, оказалось,
что так, к сожалению, не получается. Не из-за нейтри-
но образовались скопления галактик и так далее.
Александр Гордон. То есть, нейтрино играли роль в образовании
структуры Вселенной, но не только они.
Семен Герштейн. Они маленькую роль играли, скорее всего.
Я хотел пояснить вот какую вещь. Почему реально
было зарегистрировать нейтрино? Почему в этом со-
мневались, и почему все-таки это удалось? Оказыва-
ется, нейтрино с реакторной энергией или то, что от
Солнца идет, может пролететь десять в двадцатой сан-
тиметров в плотном веществе, в чугуне, это в 10 мил-
лионов раз больше, чем расстояние от Солнца до Зе-
мли. И только на этом расстоянии есть вероятность,
близкая к двум третьим, что оно вызовет какую-то ре-
акцию.
В чем заключалась идея Бруно Понтекорво о воз-
можности регистрации нейтрино? Представьте, что у
вас есть кубический метр вещества. Если одно нейтри-
но пролетает метр, а длина его среднего пробега де-
сять в двадцатой, то вероятность, что оно на этом пути
вызовет реакцию – десять минус в восемнадцатой. Это
ничтожное число. Теперь представьте, что этот куб сто-
ит около реактора. Реактор испускает на расстоянии
10 метров – это Владимир Михайлович хорошо знает…
Владимир Лобашев. Десять в тринадцатой…
Семен Герштейн. Десять в тринадцатой нейтрино на сантиметр
квадратный в секунду. Площадь у вас метр на метр, 10
в четвертой, значит, падает 10 в семнадцатой нейтрино
в секунду. А вероятность зарегистрировать для одного
– десять минус в восемнадцатой. Вы получаете в се-
кунду одну десятую события. За 10 секунд – событие.
Я говорю об идеализированном случае, потому что –
и об этом, я думаю, Владимир Михайлович будет гово-
рить, – серьезные физики тратят больше времени на
различные контрольные эксперименты, чем на откры-
тие.
А число нейтрино от реактора легко сосчитать. Возь-
мем Чернобыльский миллионник, реактор в миллион
киловатт. Вы можете сказать, сколько делений про-
исходит, чтобы дать миллион киловатт электрической
мощности, это три миллиона тепловой мощности.
Владимир Лобашев. Можно прямо сказать, сколько бета-частиц там
образуется.
Семен Герштейн. Конечно. Десять в двадцатой в секунду делит-
ся на 4?R2, получается десять в тринадцатой. Так же
можно сказать, сколько нейтрино идет от Солнца. В
школах говорят о солнечной постоянной – две кало-
рии в минуту на квадратный сантиметр. Для того чтобы
поддерживать такую светимость Солнца, нужно опре-
деленное число реакций. Путем несложных вычисле-
ний вы получите шесть на десять в десятой нейтрино
в секунду на квадратный сантиметр. Вот мы сидим, а
на каждый квадратный сантиметр нашего тела падают
60 миллиардов солнечных нейтрино.
Александр Гордон. И экранировать это невозможно.
Владимир Лобашев. Невозможно. Можно представить масштабы
нейтринного присутствия во Вселенной по взрыву
сверхновой. Например, если бы нейтрино, испускае-
мые при взрыве SN-87 в Магелановом облаке, облада-
ли достаточно сильными взаимодействиями, то энер-
гия, которая выделилась в Солнечной системе, была
бы джоуль на квадратный сантиметр. Достаточно вспо-
мнить, что при взрыве небольшого термоядерного за-
ряда такая энергия выделяется примерно на квадрат-
ном километре. То есть, все бы было сметено.
Александр Гордон. То есть если бы они обладали зарядом…
Владимир Лобашев. Да, зарядом или каким-нибудь видом взаимо-
действия, большим, чем слабое взаимодействие.
Семен Герштейн. Кстати сказать, сверхновая 87-го года разорва-
лась сравнительно близко от нас.
Владимир Лобашев. 180 тысяч световых лет…
Семен Герштейн. Однако, три установки, в том числе россий-
ская на Баксане, зарегистрировали импульс нейтрино,
скоррелированный со вспышкой этой сверхновой.
Владимир Лобашев. Правда, к сожалению, американский экспери-
мент IBM и японский «Камиоканде» сделали это более
отчетливо. А так, это была бы большая претензия на
Нобелевскую премию.
Семен Герштейн. За работы на «Камиоканде» и дали Нобелев-
скую премию 2002 года, в том числе за регистрацию
нейтрино.
Александр Гордон. Хорошо, так все-таки, почему нейтрино поведет
нас дальше? Вот это я пытаюсь понять.
Владимир Лобашев. Сейчас я попытаюсь два слова, может быть, до-
бавить, почему нейтрино поведет нас дальше. Мне ка-
жется, потому что оно имеет очень маленькую массу.
Семен Герштейн. Это, во-первых.
Владимир Лобашев. И это выделяет ее из всех других частиц. Прав-
да, фотон не имеет вообще массы, но это специфиче-
ский случай. А вот фермион, то есть частица с полуце-
лым спином, как у нейтрино, не имеющая массы или
очень маленькую массу, она должна быть объяснена.
И это объяснение, по-видимому, на сегодня отсутству-
ет.
Семен Герштейн. Но с другой стороны, сейчас существуют экспе-
рименты, можно будет о них сказать, которые доказы-
вают, что, тем не менее, маленькая масса существует.
Владимир Лобашев. Маленькая масса есть. Это было обнаружено
экспериментом, где нейтрино после своего рождения
меняло свое квантовое число. Скажем, с электронного
на мюонное или с мюонного на тау-нейтрино. Это про-
цесс, который называется осцилляцией.
Александр Гордон. И он характерен только для частицы с массой.
Владимир Лобашев. Да. Если осцилляция существует, то масса обя-
зательно должна быть хотя бы у одной частицы. То
есть, несомненно, что нейтрино имеет массу. Но в экс-
периментах с осцилляцией выяснилось, что одновре-
менно глубина этих осцилляций достигает почти 100
процентов. А это означает, что нейтрино с разными
квантовыми числами идентичны. То есть все три ней-
трино, по-видимому, имеют одну близкую друг к другу
массу.
Александр Гордон. Несмотря на разное происхождение.
Владимир Лобашев. Да, несмотря на разное происхождение.
Семен Герштейн. Очень близкую, а так как имеется ограничение
Лобашова на массу электронного нейтрино, то значит,
и тау-нейтрино, и мюонные нейтрино имеют массу не
больше двух-трех электрон-вольт, и поэтому в созда-
нии галактик они не играют роли, по-видимому.
Но я хочу сказать еще, куда все это ведет. Силы, ко-
торые вызывают переход одного типа нейтрино в дру-
гой, могут быть сродни силам, которые приводят к рас-
паду протона – стабильной частицы. Время жизни про-
тона сейчас оценено. Оно, во всяком случае, больше
чем 10 в тридцать второй лет.
Владимир Лобашев. Это оценено экспериментально, но теоретики
очень этим недовольны.
Семен Герштейн. Но оно может быть и 10 в 38-ой лет. Если это
так, то опыт – совершенно нереален.
Владимир Лобашев. Когда-то Салам на конференции в Токио в сво-
ем заключительном саммари заявил, что если время
жизни протона будет больше 10 в сорок второй, тогда
это будет интересно для теоретиков. Но он вычеркнул
эту фразу потом в письменном варианте своего докла-
да. Это фантастика, конечно.
Семен Герштейн. Но для этого есть некоторые теоретические
основания. Современные теории электрослабого вза-
имодействия, взаимодействия кварков – их называют
«калибровочными теориями» – основаны на том, что
поля вызываются сохраняющимися зарядами. Эти по-
ля, как, например, электромагнитное поле, – безмас-
совые. Поле нейтринное, поле барионное, не вызыва-
ет безмассовых полей, нет дальнодействующих сил,
так что есть опять же экспериментальные ограниче-
ния. Отсюда можно вывести предположение, что эти
величины – сорт нейтрино и барионное число – не со-
храняются.
А если не сохраняется барионное число, то это ключ
к объяснению барионной асимметрии Вселенной. Эту
гипотезу высказал впервые Андрей Дмитриевич Саха-
ров в 67-ом году. Здесь играет очень большую роль, во-
первых, возможность распада барионов, скажем, про-
тонов или антипротонов, а также некое отклонение от
симметрии, которое называется комбинированная чет-
ность, и кинетика. Так вот с осцилляцией нейтрино
может быть связано объяснение, почему во Вселен-
ной нет антивещества, а только вещество, хотя в са-
мые ранние миллисекунды расширения антипротонов
и протонов было почти одинаковое количество.
Александр Гордон. Вернемся к вашему эксперименту все-таки.
Владимир Лобашев. Прежде всего я хотел бы показать, в чем состо-
ит идея. На этой картинке показана форма бета-спек-
тра. На самом краю форма определяется спектром
нейтрино, потому что электрон уносит практически всю
энергию, на долю нейтрино остается очень немного. И
это как раз то место, где у нейтрино маленькая энер-
гия, и поэтому чувствительность эксперимента к массе
– наибольшая.
Здесь показано, какой эффект вызывает наличие
массы. Если масса всего лишь 10 электрон-вольт, то
тогда количество электронов в этой заштрихованной
области составляет примерно 10 в минус десятой от
полной интенсивности этого бета-спектра. Если масса
– один электрон-вольт, то это 10 в минус тринадцатой.
То есть приходится выделить фантастически малень-
кую долю всего бета-спектра, не повредив, так сказать,
при этом ее формы. Для этого как раз удобнее всего
бета-распад трития.
Здесь два рисунка. На правом рисунке показана ма-
ленькая область кубика и то, как все выглядит, если
увеличить все почти в 2000 раз. Таким образом, нахо-
ждение провала на этом кусочке и является задачей
эксперимента. Для этого надо построить соответству-
ющий спектрометр. А со спектрометрами очень дол-
гая история. Можно первый рисунок? Здесь очень ин-
тересная зависимость. Это чувствительность экспери-
ментов к массе нейтрино в зависимости от времени.
И, как видите, в логарифмическом масштабе – это пря-
мая линия. Оказывается, что в тех экспериментах, ко-
торые длятся примерно 30-50 лет, улучшение качества
эксперимента происходит экспоненциально. То есть
можно даже предсказать, где будет следующая точка,
и, как ни странно, это почти всегда выполняется, прав-
да, с точностью плюс-минус единица.
Семен Герштейн. Кстати сказать, на этом рисунке вы видите, что
в ИТЭФ вроде бы даже и обнаружили массу.
Владимир Лобашев. Об этом в двух словах. В 80-м году был боль-
шой шум, потому что группа из Института теоретиче-
ской и экспериментальной физики объявила, что она
видит в бета-распаде трития отклонения от разрешен-
ной формы, которые свидетельствуют, что масса ней-
трино – 30 электрон-вольт.
Семен Герштейн. Или 18 электрон-вольт.
Владимир Лобашев. Нет, 30 электрон-вольт, 29 плюс-минус два. Это
было железное заявление. Это вызвало очень боль-
шой шум, потому что это, во-первых, объясняло нали-
чие темной материи…
Семен Герштейн. И образование галактик.
Владимир Лобашев. Да, на все массы хватало. И эксперимент, на-
до сказать, был очень квалифицированный. И спектро-
метр Третьякова –великолепный спектрометр для того
времени. И тем не менее…
Александр Гордон. Ошиблись на порядок.
Владимир Лобашев. Да, ошиблись на порядок. Переоценили чув-
ствительность своей установки.
Семен Герштейн. Ну и в обработке данных там было не все глад-
ко…
Владимир Лобашев. Конечно, тут же люди бросились это дело пе-
ремерять. На подготовку такого эксперимента ушло 10
лет. И первые эксперименты были сделаны уже только
в 90-ом году. Они показали, что все-таки ИТЭФ не прав.
Семен Герштейн. Здесь я хочу сказать о пользе, которая иногда
бывает от ошибки. Когда была эта ошибка, все броси-
лись проверять, по-моему, 15 лабораторий.
Владимир Лобашев. 20 лабораторий.
Семен Герштейн. Так что иногда ошибки бывают полезными.
Владимир Лобашев. И вот в 90-ом году только начали вступать в
строй установки с границей порядка 100 квадратных
электрон-вольт. Надо сказать, что масса меряется в
квадратных электрон-вольтах, она получается из спек-
тра. И видно, как масса уточнялась в течение несколь-
ких лет. Но более серьезное уточнение началось толь-
ко с 94-го года, когда появился наш первый результат.
В чем состоит наш эксперимент, может быть, два
слова. Понимаю, времени для этого мало. Пожалуй-
ста, пятый рисунок. Здесь показан спектрометр и ис-
точник. Это целая система, которая была создана и да-
ла результаты, показанные на предыдущем рисунке.
Слева находится сверхпроводящая труба с полем от 1
до 5 Тесла, в котором электроны движутся адиабати-
чески, то есть вдоль магнитных силовых линий. Тритий
инжектируется в центр самой левой трубы, магнитное
поле уводит электроны, а тритий по обоим концам этой
трубы откачивается диффузионными насосами и сно-
ва поступает в трубу так, что образуется циркуляция.
Образуется облако трития с постоянной плотностью,
которая испускает электроны, которые можно уже ме-
рить и быть уверенным, что искажение спектра опре-
деляется только взаимодействием электрона с трити-
ем – а это минимальное искажение.
Чтобы использовать все возможности такого источ-
ника пришлось, собственно, придумать такой спектро-
метр, в котором измерение происходит интегральным
способом, то есть пропускаются электроны с энергией
выше потенциала цилиндрического электрода в цен-
тре спектрометра… Ну, я не буду рассказывать по-
дробности, но важно, что такой спектрометр позво-
ляет получить разрешение сразу в несколько элек-
трон-вольт и добраться до крайней точки бета-спектра,
на минимальные расстояния от конца.
Семен Герштейн. Поскольку я в восторге от эксперимента, то кое-
что добавлю. Понимаете, он работает в области 10
минус в одиннадцатой. Чтобы ему не мешал осталь-
ной фон, он отсекается электрическим полем. Он ста-
вит поле на 18 с половиной, скажем, или больше элек-
трон-вольт и электроны с меньшей энергией в детек-
тор не попадают.
Александр Гордон. Такое электронное сито получается.
Семен Герштейн. Не сито, а просто нож, я бы сказал, который от-
секает как раз нужную ему область. Чтобы точнее из-
мерять энергию, он имеет магнитное поле с такими как
бы пробками.
Владимир Лобашев. То, что называется «пробкотрон».
Семен Герштейн. На этом принципе Будкером была придумана
термоядерная установка «Огра».
Владимир Лобашев. Здесь главное, что с помощью магнитного поля
можно избежать регистрации электронов, которые ро-
дились на стенках. Электростатические спектрометры
все страдают именно тем, что в остаточном газе обра-
зуются ионы, они бомбардируют стенки, электроны по-
падают в детектор…
Александр Гордон. Сильный шум…
Владимир Лобашев. Очень сильный фон или шум. На этом погорело
несколько экспериментов. Сейчас еще есть один лю-
битель, который хочет сделать чистую электростатику,
посмотрим. Я думаю, что ничего не выйдет.
Семен Герштейн. В общем, это блестяще придумано. И отсечение
от фона, и точность измерения энергии.
Владимир Лобашев. Седьмой рисунок, пожалуйста.
Здесь показано как выглядит экспериментальный
бета-спектр. Обратите внимание, внизу шкала энер-
гий, то есть изменяется потенциал этого спектроме-
тра, и считается количество электронов, регистрируе-
мых детектором за определенный интервал времени.
И видно, что буквально несколько электрон-вольт от-
деляют первые не нулевые точки от граничной энергии
бета-спектра. Таким образом, это наиболее чувстви-
тельная область приближается как можно ближе к са-
мому концу.
Мне не хотелось бы сейчас об этом слишком мно-
го говорить, но здесь же виден некий эффект, кото-
рый мы еще не понимаем. Пунктиром обозначен бе-
та-спектр, который получен путем сравнения со всем
бета-спектром, который мы можем регистрировать. Мы
только часть, конечно, можем регистрировать. И эта
разность между пунктирным бета-спектром и экспери-
ментальным имеет характер ступеньки. Здесь, может,
плохо видно, потому что большой наклон. На самом
деле, если вычесть одно из другого, то получается по-
чти ступенька. Это вещь вообще-то не мешает измере-
нию массы нейтрино, потому что может быть исключе-
на просто вырезанием, так сказать. Но, с другой сторо-
ны, она носит очень странный характер. Мы пока еще
работаем над этим. Но, в общем, повторяется это уже
в течение многих лет.
Александр Гордон. Никаких гипотез, объясняющих это…
Владимир Лобашев. Есть гипотезы, но очень экстравагантные, даже
не хотелось бы о них говорить.
Семен Герштейн. Я хотел бы еще немножко сказать о нейтрино
в астрофизике и космологии. Когда в Галактике вспы-
хивает сверхновая звезда, ее свет сравним со светом
всей Галактики, а в Галактике сто миллиардов звезд,
то есть она светит как сто миллиардов звезд. Но ока-
зывается, что это всего один или два процента от об-
щей выделяемой энергии. 98-99 процентов выделяет-
ся в нейтрино. Почему? Да потому что нейтрино могут
проходить…
Владимир Лобашев. Вылететь могут…
Семен Герштейн. Последнее достижение многолетней работы –
это то, что с помощью нейтрино удалось заглянуть в
центр Солнца и посмотреть, как оно работает. Были
большие сомнения, потому что первый эксперимент по
идее Понтекорво, поставленный Дэвисом…
Александр Гордон. Там возник дефицит нейтрино.
Семен Герштейн. Да, дефицит нейтрино. Потом японцы запустили
установку «Камиоканде», потом еще «Суперкамиокан-
де». У них тоже был дефицит, но если вы брали данные
«Камиоканде» и потом переносили этот поток к Дэвису,
оказывалось, что некоторые побочные источники ней-
трино, которые должны были быть, не только не вно-
сят вклада, а вообще дают отрицательный вклад. То
есть возникало противоречие.
На Баксане, в институте, где работает Владимир Ми-
хайлович, был поставлен опыт.
Владимир Лобашев. Это отдел академика Зацепина.
Семен Герштейн. Был поставлен опыт, предложенный Кузьминым
– галлий-германиевый радиохимический способ, там
было накоплено 60 тонн галлия, это фактически вся
мировая добыча.
В эксперименте Дэвиса не мог быть зарегистриро-
ван основной поток нейтрино, который обладает мень-
шей энергией, порог регистрации у него был высокий.
А в галлие-германиевом эксперименте регистрируется
именно основной поток. И там тоже обнаружили дефи-
цит. Это означало, что дело не в Солнце. Все решились
буквально два года назад, когда заработала канадская
обсерватория SNO, они обнаружили следующее.
У них была тяжелая вода, то есть был дейтерий,
и они могли регистрировать, как электронные нейтри-
но, которые вызывают превращение одного из нейтро-
нов в протон и испускание электрона, так и взаимо-
действие, которое вызывается так называемыми ней-
тральными токами. С помощью нейтральных токов мо-
жет действовать не только электронное нейтрино, а и
мюонные и тау-нейтрино. Когда на основании теории
и экспериментальных данных посмотрели вклад этих
нейтральных токов, то всё сошлось буквально. Ликви-
дировалось противоречие между хлор-аргонным мето-
дом Дэвиса, данными «Камиоканде» и канадской об-
серватории. То есть, фактически была зарегистриро-
вана осцилляция нейтрино, во-первых. Во-вторых, бы-
ло показано, что с Солнцем все в порядке. Нейтрино
из Солнца принесли нам информацию, а потом япон-
цы устроили опыт на реакторных нейтрино. У них в сто
километров был реактор, кажется, Володя?
Владимир Лобашев. Не один реактор, а все буквально имеющиеся
в Японии реакторы давали вклад в установленный де-
тектор.
Семен Герштейн. И обнаружили, что от реактора идет поток элек-
тронных антинейтрино, что он на нужном расстоянии
уменьшился – они перешли в другой тип, а другой тип
не вызывал соответствующей реакции.
Владимир Лобашев. Кстати говоря, в связи с этим было отмече-
но, что если ставить новые эксперименты, более чув-
ствительные, то нейтрино от реакторов будут просто
мешать, фонить. Настолько сейчас, во-первых, повы-
силась чувствительность экспериментов, а во-вторых,
атомная энергетика завоевывает себе все больше и
больше места.
Семен Герштейн. Вообще, про японцев можно очень хорошие сло-
ва говорить. Сколько они посвящают усилий и средств
выделяют на науку.
Владимир Лобашев. Очень жестко они все регулируют, не надо их
идеализировать…
Семен Герштейн. Но построили же они «Суперкамиоканде».
Владимир Лобашев. Траты были по минимуму, у нас затраты были
бы в десять раз больше.
Александр Гордон. Все-таки, возвращаясь к верхнему пределу
установленной вами массы нейтрино. Это 2 элек-
трон-вольта, да?
Владимир Лобашев. Да.
Александр Гордон. И она, вероятно, будет снижаться с ростом точ-
ности эксперименпробкотронта.
Владимир Лобашев. Да, я два слова хотел сказать …
Семен Герштейн. Я только перед этим еще раз тебя перебью, из-
вини, Володя. Осцилляция показывает разность ква-
дратов масс и достоверно говорит о том, что, по край-
ней мере, какие-то нейтрино обладают массой, поэто-
му страшно интересно идти дальше, опускаться ниже.
Владимир Лобашев. К сожалению, следующий прибор, который
обладает гораздо лучшей чувствительностью, постро-
ен по той же схеме, будет сооружаться в Германии, в
исследовательском центре Карлсруэ. Мы участвуем в
этом, но, к сожалению, как партнеры второго сорта, по-
тому что не можем дать нужного количества денег. Но
идейное, так сказать, участие – стопроцентное.
Александр Гордон. То есть по схеме Троицкого будет построен…
Владимир Лобашев. Да, по схеме Троицкого, вот он изображен
здесь. Диаметр здесь показан в 7 метров, сейчас со-
бираются делать все-таки в десять метров. Это бу-
дет спектрометр, который позволит добраться до де-
сятой электрон-вольта по массе. Будем надеяться, что
это действительно произойдет, но требования, кото-
рые при этом предъявляются к самому спектрометру
– исключительные. То есть надо сделать сосуд диаме-
тром 10 и длиной 30 метров, с вакуумом 10 в минус
11-ой миллибара – такого еще нигде не делалось. Де-
лался вакуум в небольших объемах, 10 минус 11-й, или
делался большой объем с плохим вакуумом, а чтобы и
сверхвысокий вакуум, и громадный объем – такого не
делалось.
Семен Герштейн. Это холодное всё будет.
Владимир Лобашев. Это будет охлаждаться до температуры минус
20…
Александр Гордон. Тут крионасос стоит…
Семен Герштейн. И с газовым источником…
Владимир Лобашев. Да, с газовым источником. Причем, из-за то-
го что трубочка получается не 20 миллиметров, а 100
миллиметров, приходится длину его увеличивать в
семь раз – для того чтобы исключить попадание три-
тия в спектрометр. Такой проект в настоящий момент
принят, идет его проработка.
Александр Гордон. А сколько лет уйдет на создание такого прибо-
ра?
Владимир Лобашев. Мы собираемся делать это где-то в 2007-2008
годах. Но можно ошибиться, потому что проблема дей-
ствительно серьезная.
Александр Гордон. И серьезные проблемы все-таки возникают с де-
фицитом массы вещества во Вселенной. Раз на ней-
трино мы не можем его списать, что ж делать?
Семен Герштейн. Вот это и есть, по-моему, начало новой рево-
люции в естествознании. В 2003 году опубликованы
данные так называемого «WMAP». Это спутниковый
эксперимент, который изучал неоднородность реликта.
Эта неоднородность на уровне нескольких единиц на
10 в минус 5-ой.
Александр Гордон. Да, мы здесь даже видели карту, нам показыва-
ли.
Семен Герштейн. В каком-то смысле, все эти идеи опять же идут
из России. Академики Сюняев и Зельдович в 70-ом го-
ду обратили внимание, что в момент, когда происходит
рекомбинация водорода, когда температура такая, что
электроны захватываются протоном, образуются ней-
тральные атомы, то фотоны спокойно могут из этой
плазмы выходить. А эта плазма сама по себе неспо-
койна, в ней есть звуковые колебания, и отсюда возни-
кают угловые неоднородности реликтового излучения.
А по параметрам этих неоднородностей можно опре-
делить и полную массу вещества Вселенной…
Владимир Лобашев. Сумму трех нейтрино.
Семен Герштейн. Имеется так называемая критическая плот-
ность, которая связана с постоянной Хаббла, которая
характеризует скорость удаления Галактик. Так вот,
оказывается, отношение плотности вещества к кри-
тической с большой точностью – единица, немножко
больше. Это значит, что пространственная геометрия
нашей Вселенной – эвклидовская. Второе. Эти опыты
доказывают, что привычная нам барионная материя –
протоны, нейтроны, электроны – составляет только 4,5
процента от всего.
Владимир Лобашев. По массе, а не по количеству частей…
Семен Герштейн. Что же остальное? Остальное есть то, что на-
зывают скрытая масса. Скрытая масса довольно-таки
давно обнаружена, потому что движение звезд на пе-
риферии галактик определяется массой всех звезд, не
только массой светящейся материи и газов, которые
мы наблюдаем, а еще чем-то. И оказывается, что есть
темная масса, которая раз в 6-7 превосходит светящу-
юся массу. Но кроме этой «темной массы» есть еще
то, что назвали «темная энергия». Некоторые думают,
что это есть энергия вакуумная, которая отвечает так
называемой космологической постоянной. Ее впервые
ввел Эйнштейн и потом говорил, что это самая боль-
шая ошибка в его жизни была, а сейчас ее используют.
Владимир Лобашев. Только не надо говорить «используют», а то мы
можем неверно быть поняты – ведь некоторые товари-
щи утверждают, что ее можно использовать прямо чуть
ли не в энергетике…
Семен Герштейн. Нет, так ее использовать нельзя, она всюду рас-
пределена одинаково…
Но с некоторой точки зрения это неудовлетворитель-
но. Поэтому было придумано особое поле. Греки счи-
тали в свое время, что есть четыре сущности – земля,
воздух, вода, огонь, и оставляли место для пятой сущ-
ности – квинтэссенции, так и сейчас снова ввели некую
«квинтэссенцию». Оказывается, если это не вакуумная
энергия, что, в общем, не очень хорошо по ряду при-
чин, то это квинтэссенция. А что такое квинтэссенция?
Мы не знаем. А она составляет 70 процентов.
Александр Гордон. Вернулись к идее эфира.
Семен Герштейн. Это фактически та же ситуация, о которой мы го-
ворили в связи с нейтрино, когда было не сохранение
энергии в бета-распаде, что-то уходило, а что – неиз-
вестно. Это вопрос и для физики частиц, и для космо-
логии, и для астрофизики. Люди очень самонадеянны
бывают…
Владимир Лобашев. Ландю вроде бы сказал: «Astrophysicists are
often in wrong but never in doubt».
Семен Герштейн. Но, кстати, астрофизики предсказали уровень в
ядре углерода, который ядерщики не знали – просто
подсчетом красных гигантов…
Владимир Лобашев. Ну, бывает, бывает…
Александр Гордон. У нас заканчивается время, к сожалению…
Семен Герштейн. Я хочу сказать следующее. Надо осознать, что
мы накануне новой революции в естествознании, по-
нимаете? И действительно завидно, так сказать, сту-
дентам, которые сейчас учатся. Они, наверное, узнают
ответ на эти вопросы. А что касается массы нейтрино,
то есть опыты, по которым пытаются определить мас-
су фотона. Кстати, самые лучшие данные были с кос-
мических исследований. Если есть масса…
Александр Гордон. Теперь и фотон обладает массой?
Семен Герштейн. А почему? Не исключено.
Владимир Лобашев. Предположить можно все что угодно…
Александр Гордон. Но тогда возникают проблемы со скоростью све-
та, возникает…
Семен Герштейн. Вы знаете, различие скорости света проявится
на длинных волн порядка 100 тысяч километров – та-
ких опытов не было.
А как оценивают массу фотона. Если бы у фотона
была масса, то изменился бы немного закон Кулона и,
измеряя на ракетах магнитное поле Юпитера, получи-
ли, что если у фотона есть масса, то она по крайней
мере 10 в минус 49-й.
Владимир Лобашев. 41-й, по-моему…
Семен Герштейн. 10 в минус 22-й и по отношению к 10 в минус
27-й электрона, получается 10 в минус 49-й, Володя.
Если вообще есть, то 10 в минус 49-й. Покажу тебе на
пальцах.
Но возникает вопрос о массе гравитона, она тоже
сейчас теоретиками обсуждается с разных сторон. Вы
с Логуновым беседовали, он говорит о массе гравито-
на. В новых теориях, которые пытаются все объеди-
нить, гравитон тоже имеет массу. Оценка этой массы
такая, что изменяются кластеры галактик – известно,
что на расстоянии в 500 килопарсек (парсек – три све-
товых года) они еще взаимодействуют, отсюда можно
сказать, что масса гравитона меньше, чем 10 в минус
62-й грамма…


Обзор темы


Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны — «кирпичики», составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.
В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, «маленький нейтрон». Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами: «Называйте его „нейтрино“»!
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание «ино» соответствует русским суффиксам «чик» или «ушк». Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать «маленький нейтральный», или просто «нейтрончик». Так нейтрино было изобретено Паули, а окрещено Ферми.
На первый взгляд, нейтрино никакой роли в нашей жизни не играют, хотя через каждый квадратный сантиметр нашего тела ежесекундно проходит несколько миллиардов нейтрино, но мы их не замечаем. Однако без нейтрино не «работало» бы Солнце и звезды, не было бы всего того, что нас окружает, не было бы нас самих.
Вопрос о массе нейтрино — один из центральных в физике. За последние примерно 30 лет было выяснено, как взаимодействуют между собой основные элементарные частицы: лептоны и кварки. Были выяснены переносчики этих взаимодействий. Мы узнали, как взаимодействуют между собой элементарные частицы, как устроено сильное ядерное взаимодействие, слабое и электромагнитное. Чего мы не знали и не знаем до сих пор: как возникают массы у этих частиц. И для ответа на этот вопрос исключительно важно знать массу нейтрино.
Дело в том, что если взять стандартную массу — массу протона, то электрон примерно в 2 тыс. раз, а нейтрино примерно в 1 млрд. раз легче, чем протон. Самая тяжелая частица, так называемый t-кварк, открытый в начале 1990-х годов, весит примерно в 200 раз больше протона. То есть спектр масс фундаментальных частиц очень широк, и мы совершенно не понимаем, чем это обусловлено.
Для того чтобы понять, как устроены массы, строятся гигантские суперколлайдсры, с помощью которых надеются найти частицу, называемую хиггсом, благодаря взаимодействию с которой возникают массы у других частиц. И в этом смысле эксперимент по «взвешиванию» нейтрино — узловой.
Современные достижения физики нейтрино представляют интерес прежде всего для физики высоких энергий. То, что у нейтрино есть масса, но она очень мала, свидетельствует о совершенно новых явлениях, которые должны происходить при высоких энергиях, еще недоступных эксперименту. Стало очевидным, что модель физики элементарных частиц и элементарных взаимодействий — Стандартная модель — неполна и надо искать новые явления за ее пределами. В ближайшие 10 лет это будет очень важное направление в физике высоких энергий.
Кроме того, результаты, о которых сегодня шла речь, имеют космологический аспект. Видимо, во Вселенной существуют реликтовые нейтрино, причем суммарная плотность всех типов нейтрино — около 350 частиц в 1 см3. Давно стоит вопрос: какую часть полной плотности вещества во Вселенной составляют нейтрино? Из данных, полученных группой В. М. Лобашева, следует, что плотность нейтрино меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, 90% вещества во Вселенной — не нейтрино. Что же это такое? Исследования первичного нуклеосинтеза показывают, что плотность других известных частиц — протонов и нейтронов — во Вселенной тоже небольшая — меньше 5%. Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы. Получается, что физики открыли множество разнообразных частиц и сами же обнаружили: Вселенная состоит не из них, а из чего-то совершенно неизвестного. Открытие этих частиц, выяснение их свойств — замечательная задача. Есть надежда, что она будет решена в обозримом будущем.
В общем, аналогичные эксперименты уже отчасти проводились, но результаты дали несколько иные. 5 июня на крупной международной конференции «Нейтрино 98» в японском городе Такаяма уже было объявлено, что у нейтрино есть масса. 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. 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.
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. 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». 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.
Эксперимент, о котором идет речь, дает (если учесть данные других экспериментов) превосходную верхнюю оценку не только на массу электронного, но и на массу других типов нейтрино: мюонного и т-нейтрино. А это имеет фундаментальное значение как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Дело в том, что в экспериментах по детектированию солнечных нейтрино были получены недавно убедительные данные, указывающие на то, что электронное нейтрино может осциллировать, переходя в другие два типа нейтрино.
Гипотеза о возможности нейтринных осцилляции была высказана Б. М. Понтекорво еще в 1957 г. С тех пор поиски нейтринных осцилляции велись в многочисленных экспериментах на реакторах, ускорителях высокой энергии и на мезонных фабриках. Поскольку, однако, расстояние, на котором происходит осцилляция, обратно пропорционально разности квадратов масс нейтрино, обнаружить осцилляцию при этом можно только в экспериментах на достаточно большой базе. В осуществлявшихся до сих пор лабораторных экспериментах расстояние между источниками нейтрино и детекторами оказалось недостаточным для заметного проявления осцилляции. Поэтому они и не были обнаружены. Вместе с тем регистрация солнечных и атмосферных нейтрино происходит на очень большой базе, что и обусловливает возможность обнаружения осцилляции в этих опытах.
Гипотеза о том, что происходит осцилляция солнечных (электронных) нейтрино, высказана около 40 лет назад, когда в первых экспериментах по детектированию солнечных нейтрино хлор-аргонным методом было обнаружено, что поток электронных нейтрино в 2.53 раза меньше расчетного. Поскольку в хлор-аргонном эксперименте регистрировались только нейтрино достаточно высокой энергии, составляющие незначительную часть общего потока нейтрино, наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино этих энергий можно было отнести и за счет неточности принятой «стандартной» модели Солнца. Однако эксперименты по детектированию основного потока солнечных нейтрино галлий-германиевым методом (предложен В. А. Кузьминым), проведенные в Баксанской нейтринной обсерватории под руководством Г. Т. Зацепина и в подземной лаборатории в Италии, доказали, что дефицит в потоке солнечных нейтрино не может быть объяснен какой-либо моделью Солнца.
Доказательством осцилляции солнечных нейтрино явились совместные данные японской установки Суперкамиоканда и запущенной более года назад канадской установки SNO, содержащей 1000 т тяжелой воды D7O. Дело в том, что мюонные и т-нейтрино (в которые частично переходят электронные нейтрино), будучи неспособными вызвать реакции превращения С1-Аг и Ga-Ge, могут, согласно Стандартной модели элементарных частиц, рассеиваться на электронах, передавая им часть своей энергии, а также вызывать расщепление дейтерия на протон и нейтрон. Число наблюдаемых в указанных установках электронов отдачи по сравнению с числом реакций, вызываемых одними только электронными нейтрино, полностью согласуется (в пределах статистических ошибок) с гипотезой осцилляции нейтрино и стандартной моделью Солнца.
Из факта существования осцилляции нейтрино следуют, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, как было показано В. Н. Грибовым и Б. М. Понтекорво, нейтрино должны иметь ненулевую массу покоя. Это указывает на необходимость дальнейших экспериментов в попытке обнаружить массу электронного нейтрино (или установить более низкий предел на ее величину). Во-вторых, поскольку из экспериментов по поискам осцилляции следует, что Δm2 < 10-3 эВ2, масса мюонного и т-нейтрино не может существенно превышать предел, установленный для массы электронного нейтрино. А это означает, что мюонное и т-нейтрино не могут быть носителями наблюдаемой темной массы Вселенной: из космологических оценок следует, что для этого масса "тяжелого" нейтрино должна быть порядка 20 эВ.
Вопрос, почему массы нейтрино столь малы по сравнению с массами соответствующих им лептонов, - фундаментальный в современной физике. Для его решения предложены модели, связывающие наблюдаемые "левые" нейтрино с гипотетическими сверхтяжелыми частицами. Возможно, что взаимодействия, приводящие к осцилляции нейтрино, то есть нарушающие сохранение сублептонного числа (или, иначе, типа нейтрино) приводят также к нарушению барионного числа и комбинированной СР-симметрии, обусловливающих барионную асимметрию Вселенной. Таким образом, изучение нейтринных осцилляций и определение массы нейтрино выводят нас в новую область физических явлений за пределами Стандартной модели.
В связи с этим можно напомнить, что проблема нейтрино сыграла фундаментальную роль в создании современной физики частиц. Именно для объяснения испускания нейтрино в β-распаде Э. Ферми предложил в 1933 г. новый тип взаимодействия (отличающийся от известных в то время электромагнитных и гравитационных). Попытка объяснить с помощью этого взаимодействия ядерные силы (И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко) привела к пониманию различия между "слабыми" взаимодействиями Ферми и ядерными силами, то есть способствовала открытию сильных взаимодействий (X. Юкава). Теоретическая возможность существования спирального (левого) нейрино, предложенная Л.Д. Ландау, А. Саламом, Т.Д. Ли и Ц.Н. Янгом после открытия несохранения пространственной четности, привела в результате ее обобщения к открытию закона универсального слабого взаимодействия. Это, в свою очередь, стимулировало развитие так называемых калибровочных теорий, на основе которых удалось открыть единство электромагнитных и слабых взаимодействий, а также создать современную теорию сильных взаимодействий - квантовую хромодинамику.
Возможно, что именно изучение проблем нейтрино, его массы и осцилляции даст ключ к "новой" физике за пределами Стандартной модели. Важным шагом в этом направлении являются результаты нового эксперимента.
Описание эксперимента В.Лобашева. Известные элементарные частицы, испытывающие только электрослабое и, конечно, гравитационное взаимодействие, — лептоны ? образуют дублеты, которые объединяют заряженный лептон и нейтральную частицу — нейтрино:
Зараженный лептон Нейтрино
е (0.5 МэВ) ve
μ (105 МэВ) уμ
τ (1777 МэВ) vτ
Частицы, входящие в дублет, являются носителями квантового числа, условно именуемого flavor, или аромат.
Существование трех ароматов ? электронного, мюонного и τ-лептонного, называемых по имени заряженного партнера в каждом дублете, ? экспериментально установленный факт, который не объясняется так называемой Стандартной моделью. Что касается нейтрино, то при их свободном распространении наблюдались переходы из одного аромата в другие (осцилляции). Идею осцилляций нейтрино?антинейтрино высказал Б. М. Понтекорво в 1957 г., позднее была допущена возможность осцилляции между нейтрино с различными ароматами.
Мы хорошо знаем массу заряженных частиц. Она достаточно велика и изменяется от 0.5 (электрон) до 1777 (τ-лептон) МэВ. Нейтрино в этом отношении представляет исключение. Его масса, как вначале следовало из экспериментальных данных, а теперь — из теории, очень мала, в 109 раз меньше массы наиболее тяжелого заряженного партнера. Казалось бы, столь малые эффекты не должны особенно интересовать физиков, если бы масса нейтрино не была фундаментальной величиной.
Согласно гипотезе Большого взрыва, нейтрино, наряду с реликтовыми фотонами, ? самые распространенные частицы во Вселенной. Но если фон реликтовых фотонов исследован с большой точностью, то реликтовые нейтрино все еще остаются «terra incognita». Плотность нейтрино связана с плотностью реликтовых фотонов, поэтому во Вселенной в среднем должно быть около сотни нейтрино каждого сорта в одном кубическом сантиметре. Таким образом, число нейтрино во Вселенной, по крайней мере, в 109 раз превышает число адронов, то есть нуклонов, образующих материю — видимую Вселенную.
Поиск массы нейтрино ведет начало с гипотезы В. Паули о существовании частицы с очень слабым взаимодействием. И первая оценка ее массы была сделана еще в 30-х годах, когда обнаружили тяжелый изотоп водорода — тритий с периодом полураспада 12 лет и малой энергией распада. Существование этого хорошо разрешенного перехода указывало на то, что масса нейтрино должна быть меньше 10 кэВ, то есть на два порядка меньше массы электрона. Дальнейшее уточнение массы нейтрино проводилось посредством измерения формы β-спектра трития. Одну из первых работ выполнили в 1949 г. Б. М. Понтекорво и Г. Ханна с помощью пропорционального счетчика, наполненного тритированным метаном. Они получили верхнюю границу для массы нейтрино в 1 кэВ, что в 500 раз меньше массы электрона. Эта оценка послужила неким указанием на то, что масса нейтрино вообще равна нулю.
Согласно теории двухкомпонентного нейтрино, появившейся в 1958 г., она должна была быть тождественно равна нулю.
Отсутствие теоретической мотивации в тот момент не очень стимулировало дальнейшие поиски массы нейтрино. Тем не менее за 20 лет — с 1950 по 1970 г. — были проведены эксперименты, в которых масса нейтрино оценивалась на уровне 250–50 эВ. Особенно следует отметить работу Е.-К. Берквиста (Швеция), получившего ограничение на массу нейтрино в 50 эВ. В это же время теория универсального слабого взаимодействия дала однозначную интерпретацию формы β-спектра распада радиоактивных ядер, в том числе и трития.
Почему, собственно говоря, был выбран именно тритий для измерения массы нейтрино?
В каком-то смысле тритий — аналог дрозофилы в генетических исследованиях, потому что он обладает уникальными свойствами: малой энергией перехода, простотой получения тритированных соединений, большой надежностью при вычислении атомарных и даже молекулярных эффектов. В этом смысле у трития нет конкурентов.
В 60-х годах гипотеза Понтекорво об осцилляциях нейтрино позволила объяснить дефицит солнечных нейтрино в опытах Р. Дэвиса. Данные, полученные Дэвисом, свидетельствовали о чрезвычайно малой массе нейтрино. Измерения β-спектра трития стали не очень популярными, хотя экспериментаторы настойчиво продолжали улучшать свои установки.
После 1972 г. появление гипотезы объединения всех взаимодействий потребовало, чтобы нейтрино, как всякий фермион, имело хоть какую-то массу. Экспериментаторы начали поиски осцилляции нейтрино, то есть переходов между различными сортами нейтрино — электронным, мюонным и τ-нейтрино. Десятки теоретиков занялись интерпретацией результатов этих экспериментов, но делали при этом весьма разнообразные выводы.
Сегодня можно утверждать, основываясь на данных нескольких самых точных экспериментов, что осцилляции нейтрино есть. Это означает, что у него есть масса. Однако период осцилляции, который зависит от разности квадратов масс нейтрино разных ароматов, оказался очень большим, что соответствует очень малой разности квадратов масс. В то же время, глубина осцилляции, которая дает так называемый фактор смешивания различных сортов нейтрино, близок к 100%. Раз они хорошо смешиваются, то, учитывая, что разность квадратов масс мала, можно сделать такой вывод: нейтрино разных ароматов почти идентичны. Таким образом, основная часть массы нейтрино, общая для разных ароматов, остается неизвестной. С одной стороны, вроде бы масса есть, а с другой стороны, самые точные эксперименты (поиск осцилляции) обнаружить эту массу не могут, поскольку измеряют только разность квадратов масс.
Сегодняшнее значение для разности квадратов масс нейтрино — менее 10–3 эВ2 при факторе смешивания порядка 100%. Нейтрино разных ароматов как бы вырождены по массе, что делает задачу ее определения чрезвычайно трудной, но и более однозначной, поскольку, изучая свойства одного типа нейтрино, мы получаем сведения и о других типах. Сейчас мы знаем тонкие отличия между нейтрино, но не знаем главного: какова сама масса нейтрино.
Альтернативные подходы к поиску массы нейтрино, например, двойной безнейтринный распад, тоже не могут дать абсолютной величины массы. Поэтому вновь усилился интерес к изучению β-спектра трития и получению массы нейтрино прямым кинематическим методом.
При β-распаде радиоактивного ядра энергия распада делится между новым ядром, электроном и нейтрино. Поскольку ядро значительно тяжелее, основная энергия распада распределяется между электроном и нейтрино в соответствии с законом сохранения момента движения и полной энергии распада. По мере приближения к границе β-спектра (максимальной энергии электронов) энергия нейтрино должна уменьшаться вплоть до точки, где эта частица имеет нулевую кинетическую энергию (в нерелятивистском приближении) и ненулевую массу (если она есть). Важно при этом, что тритий в этом отношении ? совершенно уникальный объект, его распад — своеобразная лаборатория низкоэнергетических нейтрино.
Единственным конкурирующим элементом может быть рений-187, но при его β-распаде возникает ряд обстоятельств, не позволяющих использовать такое преимущество, как меньшая, чем у трития, граничная энергия.
Измерение формы β-спектра выполняется на самых его концах, соответствующих минимальной энергии нейтрино. Можно наглядно представить β-спектр трития, если при изображении выделить зону — фрагмент спектра вблизи верхней границы энергии, содержащий информацию о массе нейтрино.
Если она не равна нулю, то β-спектр здесь обрывается, не доходя на величину массы до максимальной энергии. Последняя может быть определена из формы остальной части β-спектра.
Относительная часть β-спектра, которая дает эффект массы, очень мала. Например, чтобы измерить массу 10 эВ, надо обнаружить дефицит интенсивности электронов в конце спектра на уровне 2.9 х 10–10 полной интенсивности β-спектра, массу 1 эВ — уже 10–13. Задача определения массы нейтрино в каком-то смысле эквивалентна поиску редких распадов, но с выделением искомого эффекта только по форме спектра. На то, чтобы выделить конец β-спектра в наиболее чистом виде, спектроскописты затратили более 50 лет.
Зависимость тритиевого спектра вблизи граничной точки от массы нейтрино выражается множителем, который представляет собой фазовый объем, занимаемый нейтрино в импульсном пространстве, тогда как полная энергия β-распада уходит к электрону. Чем меньше энергия нейтрино, тем чувствительнее форма конца спектра к возможной массе. Следует также отметить, что при анализе формы β-спектра измеряемой вели чиной является квадрат массы нейтрино. Это означает, что, сравнивая разные эксперименты и оценивая возможную чувствительность, мы должны сравнивать именно квадрат массы.
В 1980 г. случился, как можно сказать, «обвал» в физике нейтрино. Исследователи из Института теоретической и экспериментальной физики, проведя измерения на созданной ими уникальной для того времени установке, заявили, что форма β-спектра трития соответствует наличию массы нейтрино около 30 эВ (квадрат массы 900 ± 150 эВ2). Эти результаты тщательно анализировались, но до получения первых результатов новых экспериментов не было уверенности, что в нем содержится какая-то ошибка. В 1980–1981 гг. было выдвинуто около 20 предложений новых экспериментов, из которых до конца были доведены только три. Они исключили эффект массы нейтрино на уровне квадрата массы 70 — 150 эВ2. И только после экспериментов Цюрихской группы, группы Токийского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории эффект ненулевой массы был опровергнут.
Можно примерно представить на схеме результаты поиска массы нейтрино с 1990 по 2002 г. В уже упомянутых первых трех экспериментах в Цюрихе, Токио и Лос-Аламосе (1991–1992) ошибка квадрата массы составляла 75–100 эВ2, тогда как начиная с 1994 г. ошибки были уменьшены до 4.3–2.2 эВ2. Последние по времени результаты, полученные в Троицке и в Майнце, соответствуют дефициту интенсивности в спектре почти 104 раз меньшему, чем в эксперименте Института теоретической и экспериментальной физики.
Значительно улучшилось энергетическое разрешение спектрометров. Огромный рост точности экспериментов ? следствие работы, которая выполнена в Институте ядерных исследований в Троицке и параллельно (по утверждению авторов эксперимента) независимо в Университете Майнца. Этого удалось достичь благодаря применению нового типа β-спектрометра и источника трития, которые позволили войти в область точностей квадрата массы нейтрино порядка 1?2 эВ2.
В 1982 г. возникла идея использовать бутылкообразную магнитную ловушку, поместив источник трития с одной ее стороны (в пробке) в область максимального поля, а детектор электронов — с другой. Электроны, перемещающиеся в неоднородном, плавно меняющемся магнитном поле, находятся в состоянии так называемого адиабатического движения. При этом энергия поперечного движения, обусловленная ларморовской циркуляцией электрона вокруг магнитной силовой линии, становится почти равной нулю вблизи минимума магнитного поля. Точнее, она равна энергии электрона, умноженной на отношение магнитных полей в центре магнитной бутылки к максимальному значению поля в пробке. В этом случае взаимодействие с электрическим полем, производимым в центре бутылки цилиндрическим электродом, на который подается отрицательный потенциал, позволяет отсечь от детектора электроны, имеющие энергию ниже потенциала этого электрода с точностью нескольких электронвольт. если отношение магнитных полей в центре бутылки и в пробке достаточно велико. Электроны с энергией больше потенциала цилиндрического электрода ускоряются и регистрируются детектором — полупроводниковым кремниевым счетчиком.
Благодаря тому, что конфигурация магнитного поля обеспечивает везде адиабатическое движение, детектор «видит» только те электроны, которые родились на магнитных силовых линиях, пересекающих его поверхность. Если трубка потока, образуемого этими силовыми линиями, нигде не касается стенок прибора, то электроны, рожденные на стенках, не могут попасть в детектор. Именно это позволило в электростатическом интегральном спектрометре избавиться от фона, связанного с ионной бомбардировкой стенок, неизбежной в чисто электростатическом варианте. П. Н. Спивак потратил семь лет на то, чтобы получить низкофоновые условия в электростатическом спектрометре и в конце концов отказался от этого.
Проанализировав его опыт, можно в дальнейшем прийти к заключению, что магнитное поле обеспечит как низкий фон, так и хорошее разрешение.
Установка нового типа была создана в Троицке и получила название — «Троицк ν-масс». В ней используется электростатический спектрометр интегрального типа. Сверхпроводящие соленоиды создают продольное магнитное поле. Отношение напряженности в минимуме и в максимуме поля определяет разрешение спектрометра. В нашем случае разрешение составляет 3.5 эВ. К тому же форма β-спектра простая и хорошо интегрируемая. В принципе, на подобной установке можно получить разрешение 1 эВ. Сама установка по масштабам физики высоких энергий небольшая, но ряд проблем, связанных с ее созданием, бросает вызов искусству экспериментатора.
Для того чтобы исследовать спектр с точностью несколько электронвольт, необходимо иметь источник, в котором отсутствуют какие-либо окна. Наличие сильного магнитного поля на входе в спектрометр, позволяющего транспортировать электроны адиабатически на значительное расстояние, решает эту проблему. Источник представляет собой трубу диаметром 3 м. в середину которой инжектируется газообразный тритий. Труба находится в сильном продольном магнитном поле, и электроны транспортируются по ломаной узкой трубке диаметром всего 20 мм вплоть до спектрометра, где анализируются интегральным методом.
Чтобы избежать попадания трития в спектрометр (это было бы полной катастрофой), используется принцип последовательной дифференциальной откачки. После каждого ломаного участка узкой трубки имеется зазор, через который диффузионный насос откачивает тритий, причем выход каждого насоса подсоединен на вход предыдущего. Таким образом, даже при трех дифференциальных ступенях откачки удается получить фактор уменьшения давления трития порядка 107.
Дальше с помощью крионасоса, представляющего собой аргон, намороженный на холодную поверхность криостата, давление трития снижается еще на шесть порядков. Весь этот откачиваемый тритий проходит гетерные блоки очистки (эти блоки созданы сотрудниками ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара). Далее очищенный тритий снова инжектируется в трубу, то есть идет непрерывная циркуляция.
Хочу отметить, что в спектрометре парциальное давление трития меньше, чем в галактическом пространстве. Благодаря последовательной схеме дифференциальной откачки удается получить парциальное давление трития порядка 1018 Торр. Достичь такого давления трития совершенно невозможно параллельной откачкой.
Стоит обратить внимание, что сверхпроводящая часть установки изготовлена в институте, где работает В.Лобашев, и успех этого дела в значительной степени связан с развитием в нашей стране технологии получения сверхпроводящего провода. Его качество превосходит то, что делается ныне за рубежом. Особенно важно, что для работы удалось получить гелиевый рефрижератор фирмы «Зульцер» с турбодетандерами на газовой подушке. Эта машина надежно работает на протяжении уже 15 лет.
Другой вариант спектрометра разработан за рубежом в Университете города Майнц. Его создание началось в 1986 г., тогда как нашего — в 1982 г.
Спектрометр в Майнце меньше нашего в два раза, в результате чего возникла масса проблем как с фоном, так и с источником, в качестве которого использовался намороженный тритий. Оказалось, что намороженный тритий способен заряжаться и искажать функцию разрешения спектрометра. К тому же испарение трития порождает фон в спектрометре. Был сделан дополнительный магнитный тракт для установки в Майнце, который позволил удалить источник от спектрометра и тем самым устранить в значительной степени фон. Так невольно в ходе разработок в нашей стране мы вырастили себе конкурента, но можно считать необходимым сотрудничество ученых.
Преимущества нового подхода заключаются в увеличении разрешающей способности и светосилы установки. В начале, сравнили аппаратурные функции энергетического разрешения, полученные на установке «Троицк v-масс» и в эксперименте 1980 г. Института теоретической и экспериментальной физики. Если в последнем разрешение составляет около 20 эВ (ширина на полувысоте), причем функция разрешения имеет длинные хвосты, связанные с рассеянием электронов в спектрометре, то в нашем случае функция разрешения — это линейная ступенька шириной 3.5 эВ, которая задается отношением магнитных полей на входе и в середине спектрометра.
Светимость определяется как регистрируемая в спектрометре часть телесного угла вылета электронов при распаде, умноженная на площадь источника. В установке «Троицк v-масс» эта величина на два-три порядка больше, чем в предыдущих экспериментах. Именно этим, а также возможностью энергетического анализа, который исключает высокоэнергетичные хвосты функции разрешения, обусловлен скачок в чувствительности установки к массе нейтрино. Газовый безоконный источник также имеет преимущество как перед намороженным, так и перед источником на базе тритированной органики, поскольку позволяет точно учесть поправки к спектру.
Заметим: при анализе спектра необходимо учитывать, что распад в молекулярном тритии идет в дочернюю молекулу. У этой молекулы около 200 возбужденных состояний, и переходы на них идут с меньшей энергией, искажая β-спектр. К сожалению, найти способ экспериментального измерения возбужденных состояний дочерней молекулы трития сегодня не представляется возможным, так что приходится довольствоваться теоретическими расчетами. Однако для свободной молекулы в газовом источнике теория дает достаточно точную поправку.
В настоящее время группа В.Лобашева располагает результатами измерений квадрата массы нейтрино в разных сеансах на протяжении восьми лет. Однако чистое время измерений составляет примерно год, что связано как с техническими, гак и финансовыми трудностями. При анализе измерений формы β-спектра оказалось, что значительная его часть описывается теоретическим спектром с массой нейтрино, равной нулю, кроме самого конца спектра. Здесь наблюдается некая структура в виде избыточной интенсивности, сдвинутая относительно граничной точки на 5- 15 эВ в сторону низких энергий. На графике разница между теоретическим и экспериментальным спектрами, полученная вычитанием одного из другого, напоминает ступеньку. Поскольку спектрометр интегральный, то для того чтобы сравнить его данные с данными дифференциального спектрометра, надо продифференцировать эту ступеньку, и тогда получается, что на этом месте спектра находится бамп. Он имеет ширину, близкую к разрешению спектрометра, и его наличие может означать, что в непрерывном β-спектре появляется некая монохроматическая линия. Она может возникнуть только в результате двухчастичного процесса, а в β-распаде трития, где фигурируют три частицы, ее появление исключено. На первых порах, чтобы избавиться от этой странности, пришлось вводить дополнительные параметры, которые как бы вырезали кусок спектра с бампом. Существенно также, что при обработке экспериментального спектра без учета бампа величина квадрата массы нейтрино получается отрицательной, равной 10–15 эВ. Учет же бампа с помощью двух свободных параметров полностью исключает эффект отрицательной величины квадрата массы нейтрино.
Судя по нашим измерениям, начатым в 1994 г. (см. таблицу), величина квадрата массы нейтрино находится около нуля. В сумме получен предел на массу нейтрино, равный 2.2 эВ при 95%-ной достоверности. На сегодняшний день, это — самая точная оценка массы прямым кинематическим способом. Она оказалась ниже пределов на массу нейтрино, даваемых другими методами, например, при анализе распределения реликтового фотонного излучения. Если полученная масса нейтрино верна, то существенно снизится возможный вклад любого вида (аромата) нейтрино в темную материю Вселенной.
Результаты измерения квадрата массы нейтрино
Год Квадрат массы, эВ2/с4 1994 -2.7 ± 10.1 (фит)* ± 4.9 (сист)
1996 +0.5 ±7.1 (фит) ± 2.5 (сист)
1997 1 -8.6 ± 7.6 (фит) ± 2.5 (сист)2 -3.2 ± 4.8 (фит) ± 1.5 (сист)
1998 -0.618.1 (фит) ±2.0 (сист)
1999 +1.6 ± 5.6 (фит) ± 2.0 (сист)
2001 1 -5.5 ± 6.5 (фит) ± 2.0 (сист)2 -5.2 ±6.7 (фит) ± 1.5 (сист)
с 1994 по 2001 -2.3 ±2.5 (фит) ±2.0 (сист)
Аномальные структуры, которые наблюдаются в спектре, может быть, представляют самостоятельный интерес, если, конечно, будет доказан их глобальный характер. Другими словами, они должны наблюдаться не на одной, а по крайней мере на двух установках.
Было прослежено положение ступеньки — разницы между теоретическим и экспериментальным спектрами β-распада трития — относительно конца спектра в зависимости от сезонного времени измерений. Оказалось, что в большей части измерений положение этих ступенек хорошо (с точностью 0.5%) соответствует синусоиде с периодом полгода. Такое явление для слабого взаимодействия кажется чрезвычайно странным. Дальнейшие измерения показали, что к полугодовому периоду примешивается годичный. Лишь две точки за все время проведения эксперимента не ложатся на эту кривую, причем оба измерения были выполнены в канун нового года. Удивительно, но три года подряд фиксируются некие аномалии именно в две последние недели декабря. Связан ли этот эффект с движением Земли вокруг Солнца или с аппаратурой, предстоит выяснить.
Можно отметить, что в последних измерениях, проведенных в Университете Майнца, эффект ступеньки не обнаружен. Это может быть вызвано изменением некоторых параметров при обработке спектра, а также худшим энергетическим разрешением установки из-за самозарядки источника. Если все-таки эффект ступеньки будет в дальнейшем подтвержден, то в качестве экзотического объяснения можно рассмотреть возникновение монохроматической линии в спектре в результате двухчастичного процесса.
Таким двухчастичным процессом мог бы быть захват нейтрино тритием с испусканием монохроматического электрона. Этот процесс является обратным по отношению к β-распаду, и его сечение хорошо вычисляется. Если такой процесс происходит, то мы должны наблюдать в конце β-спектра трития монохроматическую линию с энергией перехода примерно 18.6 кэВ. Казалось бы, предложенная гипотеза, хотя и крайне спекулятивная, способна в принципе объяснить то, что мы видим в спектре. Однако, чтобы получить этот маленький пичок, интенсивность которого составляет 10–10 полной интенсивности β-спектра, нужно иметь плотность нейтрино 1015 в 1 см3. Нейтрино должны быть вырожденными, а их облако ограничено по размерам так, чтобы движение Земли в его пределах создавало модуляции эффекта из-за переменной плотности.
В принципе такое можно допустить, потому что если нейтрино сгруппированы в сгустки, тогда нет проблем с их средней космологической плотностью. Разумеется, чтобы удержать эти сгустки, необходимо специальное взаимодействие для нейтрино. Напомним, что еще Б. М. Понтекорво ставил вопрос о возможности существования сильного нейтрино-нейтринного взаимодействия. Разумеется, такие объяснения сегодня могут рассматриваться как очень экстравагантная гипотеза.
Несколько слов о перспективах. Потенциал новой установки использован всего лишь на 20%. Увеличение эффективности с 20% хотя бы до 50% требует определенных финансовых вложений. Существует также другой проект — проект КАТРИН, который разрабатывается, к сожалению, не у нас, а в Германии, в исследовательском центре Карлсруэ. Это увеличенная копия маленькой установки «Троицк v-масс». Новая установка включает спектрометр с сосудом диаметром 7 м. В результате разрешение можно увеличить до 1 эВ (у нас — 3.5 эВ), а светимость, по сравнению с установкой «Троицк v-масс», — почти в 50–70 paз. Источник тритиевых электронов, конечно, будет представлять собой гораздо большее сооружение, чем то, что было у нас, однако его создание по силам современной технологии. В таком спектрометре парциальное давление трития должно составлять 10 2()Торр, что на два порядка меньше, чем галактический вакуум. С помощью последовательной дифференциальной откачки эти условия в принципе могут быть достигнуты.

Библиография


Арбузов Б. А. Открытие самой тяжелой частицы // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 9
Герштейн С. С. Загадки солнечных нейтрино // Соросовский образовательный журнал. 1997. №8
Козик В. С., Любимов В. А., Новиков В. Е. и др. Об оценке массы νе по спектру β-распада трития в валине // Ядерная физика. 1980. Т.32. № 1
Лобашев В. М., Спивак П. К. К вопросу об измерении массы покоя антинейтрино // Препринт ИЯИ АН СССР. М., 1983
Лобашев В. М. Измерения массы нейтрино в бета-распаде трития // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 1
Михеев С. П., Смирнов А. Ю. Резонансные осцилляции нейтрино в веществе // Успехи физических наук. 1987. Т.153. № 1
Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М., 1982 Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. М., 1988
Belesev A. I., Bleule A. I., Geraskin E. V. et al. Results of the Troitsk experiment on the search for electron antineutrino rest mass in tritium beta-decay // Phys. Lett. 1995. B.350
Bergkvist R. E. A high-luminosity, high-resolution study of the end-point behaviour of the tritium β-spectrum // Nucl. Phys. 1972. B.39
Lobashev V.M., Aseev V.N., Belesev A. I. et al. Direct search for mass of neutrino and anomaly in the beta-spectrum // Phys. Lett. 1999. B.460
Weinheimer Ch., Degen A. et al. High precision measurement of the tritium beta-spectrum
near its end-point and upper limit on the neutrino mass // Phys. Lett. 1999. B.460
Рекомендуем Требуются рулонные ворота с автоматическим приводом? Сделайте заказ ворот на сайте rolstavni-zhaluzi.ru и получите установку со скидкой 5%! Надежно, профессионально, качественно.

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

  • Александр Дудин. 2013-09-03 22:33:35

    Атом состоит из оболочки и ядра.
    Оболочка состоит из электронов и антинейтрино.
    Ядро состоит из протонов и нейтронов.
    Протон состоит из 918 фотонов плюс один позитрон и один нейтрино.
    Нейтрон состоит из 919 фотонов.
    Фотон состоит из электрона, антинейтрино, позитрона, нейтрино. Электрон состоит из12026 антинейтрино, позитрон состоит из 12026 нейтрино. Как видим симметрия частиц и античастиц полная. Все вещества состоят из фотонов, а точнее из нейтрино и антинейтрино. Доказательства можно найти на сайте foton2013foton.fo.ru , а также смотрите радиоактивный распад и явление с челябинским метиоритом.

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X