Диалоги (октябрь 2003 г.) - Александр Гордон

В чем заключалась идея Бруно Понтекорво о возможности регистрации нейтрино? Представьте, что у вас есть кубический метр вещества. Если одно нейтрино пролетает метр, а длина его среднего пробега десять в двадцатой, то вероятность, что оно на этом пути вызовет реакцию – десять минус в восемнадцатой. Это ничтожное число. Теперь представьте, что этот куб стоит около реактора. Реактор испускает на расстоянии 10 метров – это Владимир Михайлович хорошо знает…

В.Л. Десять в тринадцатой…

С.Г. 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 секунду одну десятую события. За 10 секунд – событие. Я говорю об идеализированном случае, потому что – и об этом, я думаю, Владимир Михайлович будет говорить, – серьезные физики тратят больше времени на различные контрольные эксперименты, чем на открытие.

А число нейтрино от реактора легко сосчитать. Возьмем Чернобыльский миллионник, реактор в миллион киловатт. Вы можете сказать, сколько делений происходит, чтобы дать миллион киловатт электрической мощности, это три миллиона тепловой мощности.

В.Л. Можно прямо сказать, сколько бета-частиц там образуется.

С.Г. Конечно. Десять в двадцатой в секунду делится на 4?R2, получается десять в тринадцатой. Так же можно сказать, сколько нейтрино идет от Солнца. В школах говорят о солнечной постоянной – две калории в минуту на квадратный сантиметр. Для того чтобы поддерживать такую светимость Солнца, нужно определенное число реакций. Путем несложных вычислений 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.

А.Г. И экранировать это невозможно.

В.Л. Невозможно. Можно представить масштабы нейтринного присутствия во Вселенной по взрыву сверхновой. Например, если бы нейтрино, испускаемые при взрыве SN-87 в Магелановом облаке, обладали достаточно сильными взаимодействиями, то энергия, которая выделилась в Солнечной системе, была бы джоуль на квадратный сантиметр. Достаточно вспомнить, что при взрыве небольшого термоядерного заряда такая энергия выделяется примерно на квадратном километре. То есть, все бы было сметено.

А.Г. То есть если бы они обладали зарядом…

В.Л. Да, зарядом или каким-нибудь видом взаимодействия, большим, чем слабое взаимодействие.

С.Г. Кстати сказать, сверхновая 87-го года разорвалась сравнительно близко от нас.

В.Л. 180 тысяч световых лет…

С.Г. Однако, три установки, в том числе российская на Баксане, зарегистрировали импульс нейтрино, скоррелированный со вспышкой этой сверхновой.

В.Л. Правда, к сожалению, американский эксперимент IBM и японский «Камиоканде» сделали это более отчетливо. А так, это была бы большая претензия на Нобелевскую премию.

С.Г. За работы на «Камиоканде» и дали Нобелевскую премию 2002 года, в том числе за регистрацию нейтрино.

А.Г. Хорошо, так все-таки, почему нейтрино поведет нас дальше? Вот это я пытаюсь понять.

В.Л. Сейчас я попытаюсь два слова, может быть, добавить, почему нейтрино поведет нас дальше. Мне кажется, потому что оно имеет очень маленькую массу.

С.Г. Это, во-первых.

В.Л. И это выделяет ее из всех других частиц. Правда, фотон не имеет вообще массы, но это специфический случай. А вот фермион, то есть частица с полуцелым спином, как у нейтрино, не имеющая массы или очень маленькую массу, она должна быть объяснена. И это объяснение, по-видимому, на сегодня отсутствует.

С.Г. Но с другой стороны, сейчас существуют эксперименты, можно будет о них сказать, которые доказывают, что, тем не менее, маленькая масса существует.

В.Л. 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 процесс, который называется осцилляцией.

А.Г. И он характерен только для частицы с массой.

В.Л. Да. Если осцилляция существует, то масса обязательно должна быть хотя бы у одной частицы. То есть, несомненно, что нейтрино имеет массу. Но в экспериментах с осцилляцией выяснилось, что одновременно глубина этих осцилляций достигает почти 100 процентов. А это означает, что нейтрино с разными квантовыми числами идентичны. То есть все три нейтрино, по-видимому, имеют одну близкую друг к другу массу.

А.Г. Несмотря на разное происхождение.

В.Л. Да, несмотря на разное происхождение.

С.Г. 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 создании галактик они не играют роли, по-видимому.

Но я хочу сказать еще, куда все это ведет. Силы, которые вызывают переход одного типа нейтрино в другой, могут быть сродни силам, которые приводят к распаду протона – стабильной частицы. Время жизни протона сейчас оценено. Оно, во всяком случае, больше чем 10 в тридцать второй лет.

В.Л. Это оценено экспериментально, но теоретики очень этим недовольны.

С.Г. Но оно может быть и 10 в 38-ой лет. Если это так, то опыт – совершенно нереален.

В.Л. Когда-то Салам на конференции в Токио в своем 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 доклада. Это фантастика, конечно.

С.Г. Но для этого есть некоторые теоретические основания. Современные теории электрослабого взаимодействия, взаимодействия кварков – их называют «калибровочными теориями» – основаны на том, что поля вызываются сохраняющимися зарядами. Эти поля, как, например, электромагнитное поле, – безмассовые. Поле нейтринное, поле барионное, не вызывает безмассовых полей, нет дальнодействующих сил, так что есть опять же экспериментальные ограничения. Отсюда можно вывести предположение, что эти величины – сорт нейтрино и барионное число – не сохраняются.

А если не сохраняется барионное число, то это ключ к объяснению барионной асимметрии Вселенной. Эту гипотезу высказал впервые Андрей Дмитриевич Сахаров в 67-ом году. Здесь играет очень большую роль, во-первых, возможность распада барионов, скажем, протонов или антипротонов, а также некое отклонение от симметрии, которое называется комбинированная четность, и кинетика. Так вот с осцилляцией нейтрино может быть связано объяснение, почему во Вселенной нет антивещества, а только вещество, хотя в самые ранние миллисекунды расширения антипротонов и протонов было почти одинаковое количество.

А.Г. Вернемся к вашему эксперименту все-таки.

В.Л. Прежде всего я хотел бы показать, в чем состоит идея. На этой картинке показана форма бета-спектра. 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 энергия, 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 маленькую 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 маленькая область кубика и то, как все выглядит, если увеличить все почти в 2000 раз. Таким образом, нахождение провала на этом кусочке и является задачей эксперимента. Для этого надо построить соответствующий спектрометр. А со спектрометрами очень долгая история. Можно первый рисунок? Здесь очень интересная зависимость. Это чувствительность экспериментов к массе нейтрино в зависимости от времени. И, как видите, в логарифмическом масштабе – это прямая линия. Оказывается, что в тех экспериментах, которые 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, правда, с точностью плюс-минус единица.

С.Г. Кстати сказать, на этом рисунке вы видите, что в ИТЭФ вроде бы даже и обнаружили массу.