Как происходит регистрация нейтрино? Чем дираковские частицы отличаются от майорановских? Какие существуют источники нейтрино? О трех поколениях лептонов, эффекте нейтринных осцилляций и роли нейтрино в космологии рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Лептоны — легкие слабовзаимодействующие частицы. Один из лептонов мы хорошо знаем — это электрон — частица, которая была открыта одной из первых более ста лет назад. Электрон — это та самая частица, которая течет в проводах, когда там есть электрический ток.

Оказалось, что электрон — это не единственная частица из семейства лептонов. Вскоре после электрона была открыта другая частица, которая получила название мюон. Она оказалась почти точной копией электрона, только в двести раз тяжелее.

Электрон является самым легким заряженным лептоном. Если его массу измерять в единицах, которые приняты в физике элементарных частиц, а это энергетические единицы — следует это из формулы Эйнштейна, что энергия покоя равняется массе, умноженной на квадрат скорости света, поэтому массу обычно измеряют в энергетических единицах, — масса электрона равняется половине миллиона электронвольт. Мюон в двести раз тяжелее. Следующая частица, которая была открыта из семейства лептонов, — это тау-лептон, она еще более тяжелая.

Все эти три заряженные частицы являются почти точными копиями друг друга, у них совершенно одинаковые свойства, электрические заряды, и ведут они себя одинаково, но различаются только массой. Но оказалось, что эти три частицы не исчерпывают всего семейства лептонов. Во время распада вместе с электронами рождается еще одна неуловимая частица. Сначала было непонятно, куда девается недостающая энергия, и потом Паули предположил, что она уносится нейтральной легкой частицей, которую Ферми предложил назвать словом «нейтрино», то есть маленький нейтрончик. Так в физику вошло нейтрино.

У нейтрино очень маленькая масса и нет электрического заряда, эта частица не принимает участия в сильных взаимодействиях, ее очень трудно обнаружить. Тем не менее она рождается в слабых взаимодействиях. Так, вместе с электроном рождается электронное нейтрино. А что рождается вместе с мюоном? Тоже рождается нейтрино. И сначала думали, что эти две частицы просто одинаковые. Но потом выяснилось, что нет, они отличаются друг от друга, и тогда решили, что каждый лептон, по всей вероятности, входит вместе со своим партнером — электрон с электронным нейтрино, мюон с мюонным нейтрино, а тау с таонным нейтрино. Кстати, таонное нейтрино было открыто в 2000 году — это последняя частица из Стандартной модели, которую мы знаем, которая была открыта в прошлом веке.

Тем самым у нас получается шесть лептонов — три заряженных и три нейтральных. Все эти лептоны удовлетворяют одному и тому же уравнению — обычно оно называется уравнением Дирака, ему удовлетворяют частицы со спином ½. Кварки, как частицы со спином ½, тоже удовлетворяют уравнению Дирака. Но с нейтрино история сложнее. Дело в том, что у нейтрино нет электрического заряда, а если у частицы нет электрического заряда, то она могла бы удовлетворить и другому уравнению. И такое уравнение существует — оно называется майорановским уравнением, в честь итальянского физика Этторе Майорана.

Какому уравнению удовлетворяет нейтрино — дираковскому или майорановскому? По-другому говоря, нейтрино является дираковской частицей или майорановской?

В чем разница? Разница состоит в том, что если частица является майорановской, то она является античастицей самой себе. Это значит, что две такие частицы, встретившись во Вселенной, могут взаимно аннигилировать. Если же это дираковская частица — этот процесс невозможен. Чтобы понять, как на самом деле устроено нейтрино, какому уравнению оно удовлетворяет, нужно провести эксперимент и проверить, происходит ли взаимная аннигиляция двух нейтрино. Такой эксперимент сейчас проводится, называется это безнейтринный двойной бета-распад, и пока результат такой, что мы не можем ответить на вопрос, является ли нейтрино дираковским или майорановским. Вероятно, в будущем мы найдем ответ на эту загадку.

Чем нейтрино замечательны помимо этого? Дело в том, что все кварки, лептоны и другие частицы во время взаимодействия переходят друг в друга: кварки одного сорта переходят в кварки другого сорта, лептоны одного сорта переходят в лептоны другого сорта, и эти процессы мы наблюдаем. Но с нейтрино особая статья. Дело в том, что такой переход частиц одного сорта в другой обычно происходит на расстояниях, которые совершенно невозможно экспериментально заметить. Но если частица очень легкая — а нейтрино, предположительно, очень легкое, — то эти расстояния становятся заметными и достигают уже макроскопических масштабов — метров или даже километров.

Происходит то, что обычно называют явлением осцилляции, когда нейтрино распространяется в среде, и мы сначала наблюдаем один сорт нейтрино, а через некоторое расстояние, например, от реактора, если нейтрино рождается в реакторе, мы видим, что количество сортов данного нейтрино убывает, зато появляется нейтрино другого сорта. Этот закон описывается функцией синуса, то есть происходит колебание одного сорта нейтрино и другого. Этот эффект называется эффектом нейтринных осцилляций. С другими частицами мы этого не наблюдаем, потому что расстояния там, где происходят осцилляции, являются совершенно микроскопическими, они обратно пропорциональны массе. А в данном случае масса очень мала, поэтому расстояния большие.

Такие нейтринные осцилляции были экспериментально обнаружены. Надо сказать, что переход частиц одного сорта в другой невозможен, если частица без массы. Это происходит только тогда, когда у частиц есть масса. Поэтому нейтринные осцилляции нам недвусмысленно указывают на то, что нейтрино являются массивными частицами, хотя масса эта чрезвычайно мала. Интересно, что мы до сих пор не знаем, какова эта масса, потому что нейтринные осцилляции подтверждают сам факт наличия этой массы и позволяют измерить только разность масс между различными нейтрино, но не позволяют измерить абсолютную шкалу масс. Поэтому до сих пор остается загадкой, какова масса нейтрино. Мы надеемся, что другие эксперименты, которые чувствительны уже к самой массе, позволят ответить и на этот вопрос.

Эксперименты с поисками нейтрино всегда очень сложные. Это объясняется тем, что нейтральные частицы практически не взаимодействуют со средой. Те нейтрино, которые летят от Солнца, пронизывают Землю, и мы этого совершенно не ощущаем, поскольку взаимодействие очень слабое, мы практически прозрачны для нейтрино. Поэтому очень трудно зарегистрировать взаимодействия этой частицы. Для того чтобы это сделать, детекторы должны иметь огромнейший объем, чтобы повысить вероятность взаимодействия нейтрино с какой-либо частицей этого огромного объема. Для этого специально создаются подземные лаборатории. Подземные — потому что нужно попытаться заградить эксперимент от космического фона, от тех частиц, которые прилетают к нам из космоса, то есть чем чище лаборатория, тем больше вероятность, что мы сможем зарегистрировать интересующие нас события. И в таких подземных лабораториях создаются большие установки, в которых пытаются зарегистрировать сигналы от нейтрино.

Как пример можно привести так называемую лабораторию Super-Kamiokande, которая находится в соляной шахте недалеко от японской деревни Камиока. Это бочка сорок метров высотой и пятнадцать метров в диаметре, наполненная чистейшей водой, и все ее стенки занимают фотоумножители. Любой сигнал, который там произойдет, в этом колоссальном объеме, потом будет передаваться через фотоумножители на детектирующее устройство. Примерно такого размера установки делаются под землей, которые способны задетектировать нейтрино.

Что же удалось задетектировать? Оказалось, это очень интересно. Прежде всего, детектируются сигналы от нейтрино, приходящих к нам с Солнца. Долгое время была загадка, что, согласно моделям Солнца, к нам должно прилетать определенное количество электронных нейтрино, а к нам прилетает их гораздо меньше. Думали, что-то неправильно в нашем понимании. А потом загадка была разгадана. Оказалось, что явление нейтринных осцилляций все объясняет.

Часть нейтрино, которые летят к нам из Солнца, электронные нейтрино, превращаются в мюонные нейтрино, поэтому число электронных нейтрино оказывается меньше.

Таким явлением осцилляции явление солнечных нейтрино было объяснено.

Но есть и другие нейтрино. Есть нейтрино, которые прилетают к нам из космических лучей, — как правило, это мюонные нейтрино. И этих мюонных нейтрино тоже оказалось не столько, сколько надо. И опять явление осцилляции позволило объяснить, почему количество мюонных нейтрино не соответствовало исходным ожиданиям.

В настоящий момент есть несколько источников нейтрино: есть так называемые солнечные нейтрино, есть космические нейтрино, есть нейтрино от ядерных реакторов. Но тем не менее все это нейтрино трех сортов — это электронные нейтрино, мюонные нейтрино и таонные нейтрино. Но все они осциллируют, то есть перепутываются друг с другом, и, вообще говоря, нужно как-то суметь все это распутать. Оказалось, что все эти перепутывания описываются определенным числом углов — тремя углами, как обычные углы поворотов.

Эти три угла сейчас экспериментально измерены. И оказалось, что эксперименты и по солнечным, и по атмосферным, и по реакторным нейтрино хорошо описываются Стандартной моделью с некой матрицей поворотов. Эта матрица получила название матрица Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты. Здесь есть один итальянский физик, который работал в Советском Союзе, Бруно Понтекорво, и три японских физика. В кварковом секторе тоже есть такая матрица, ее обычно называют матрицей Кабиббо — Кобаяши — Маскавы, тоже один итальянский физик и два японских. Аналогия между кварковым и лептонным секторами проявилась и здесь. Есть смешивание ароматов, как это принято говорить, в кварковом секторе, и точно такое же смешивание ароматов есть в лептонном секторе. Эти две матрицы смешивания объясняют все переходы кварков или лептонов одного сорта в кварки или лептоны другого сорта и, в частности, объясняют все явления нейтринных осцилляций. Сейчас все эти углы хорошо померены, все соответствуют ожиданиям, и остается еще одна небольшая загадка — это фаза, которая есть в этой матрице. Если кто знает, что такое комплексное число, то у комплексного числа есть модуль и фаза. Так вот фаза, которая есть в этой матрице, еще до сих пор не очень хорошо известна, хотя тоже экспериментально измеримая величина.

Тем самым картина, которая вырисовывается, выглядит так: у нас есть три поколения кварков и три поколения лептонов. Первое поколение — это верхние и нижние кварки, электроны и электронные нейтрино, второе поколение — очарованный кварк, странный кварк, мюоны и мюонные нейтрино, третье поколение — верхний кварк, нижний кварк, таон и таонные нейтрино. Получается такая полная аналогия между лептонами и кварками.

Интересно только, зачем нужны эти три поколения? Это загадка, которую еще предстоит разгадать. Три поколения кварков и лептонов представляют собой основу современной модели элементарных частиц.

Надо сказать, что нейтрино, которое присутствует в лептонном секторе, играет очень важную роль в космологии. Дело в том, что нейтрино — это стабильная частица, и, как стабильная частица, ей не на что распасться, нет более легкой частицы, она существует с тех пор, как родилась в ранней Вселенной. И свойства ранней Вселенной и вообще свойства современной Вселенной очень сильно зависят от того, сколько сортов нейтрино в этой Вселенной присутствует. Так вот, распространение тяжелых элементов во Вселенной, микроволновый фон Вселенной и многие другие факты свидетельствуют о том, что число нейтрино, по всей вероятности, равно трем. Это значит, что и число поколений равно трем, если говорить о кварк-лептонной симметрии и говорить о поколениях.

Правда, осталась еще небольшая загвоздка. Не исключено, что, помимо трех поколений, существуют нейтрино, которые не принимают участия ни в каких взаимодействиях — ни в электромагнитном, ни в сильном, ни в слабом. Такие нейтрино называют стерильными. Экспериментальное окошечко для стерильных нейтрино до сих пор еще осталось. Возможно, ближайшие эксперименты позволят ответить на вопрос: есть стерильные нейтрино или нет стерильных нейтрино? Если нет, то кварк-лептонная аналогия будет полнейшей. Если есть, значит, нейтрино преподносят нам новые загадки.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ.

ПостНаука