Нейтрино это: Частица-призрак: нейтрино

Нейтрино

Н. А. Брюханова Введение     Нейтрино − фундаментальные частицы, лептоны, не имеющие заряда и обладающие крайне малой массой. Изучение этих частиц  является одним из важных направлений в физике, поскольку дает возможность обнаружить эффекты, находящиеся за пределами стандартной модели. Нейтрино как фундаментальная частица Рис. 1. Спектры электронов и нейтрино     Появление такого объекта, как нейтрино, в физике частиц, неразрывно связано с явлением бета-распада. Этот распад обладает известной особенностью − непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде. Единственным способом устранить противоречие с законами сохранения было введение новой частицы, обладавшей малой массой и нейтрально заряженной. Нейтрино впервые предложил Паули, и сразу указал, что регистрация подобной частицы окажется весьма трудной задачей. Это оказалось правдой − изучение нейтрино потребовало специфических технических решений. Однако в итоге оно было изучено достаточно подробно. В частности, стало понятно, что нейтрино не является истинно нейтральной частицей, и существует явная разница между нейтрино и антинейтрино. Это привело к некоторым затруднениям в начале истории их регистрации. Так же не менее существенной особенностью является существование трех типов нейтрино, соответствующих трем заряженным лептонам − электрону, мюону и таону. Закон сохранения лептонного заряда считается достаточно важным законом сохранения, а его нарушение приведет к выходу за рамки стандартной модели. В частности, поэтому и ведутся многочисленные исследования в этой области. Методы детектирования нейтрино Рис. 2. Эксперимент в Саванна Ривер     Первым экспериментом по детектированию нейтрино был эксперимент Ф. Райнеса и К. Коэна в Саванна Ривер (1956 г.) Строго говоря, получены были реакторные антинейтрино, в эксперименте, схема которого показана на рис.2.     В данном случае используется реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон. p + e →  n + e+     Очевидно, позитрон быстро аннигилирует с электроном, что даст два гамма-кванта, которые можно зарегистрировать. Кроме этого, нейтрон так же возможно зарегистрировать, используя кадмий, который при поглощении нейтрона переходит в возбужденное состояние, что снова вызывает гамма-излучение. С помощью сцинтилляторов и фотоумножителей обе вспышки можно зафиксировать, что и позволило объявить о регистрации антинейтрино.     Регистрация нейтрино оказалась сложнее. Поскольку реакция должна была идти на нейтроне, которого в свободном виде не существует, Б. М. Понтекорво был предложен хлор-аргоновый метод, в котором хлор за счет реакции нейтрино с одним из нейтронов превращался в аргон. Обнаружение аргона позволяет говорить о регистрации нейтрино в эксперименте. ν + 37Cl →  37Ar + e−.     Именно постановка такого опыта показала, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, и привела к открытию закона сохранения лептонного заряда. В настоящий момент методы детектирования нейтрино несколько изменились, но радиохимические, наподобие хлор-аргонового, все еще актуальны. Современные методы изучения нейтрино     В зависимости от энергий и происхождения, детектирование нейтрино происходит разными способами. Поэтому необходимо иметь представление о том, откуда приходят к нам эти частицы. Надо помнить также основную проблему работы с нейтрино − крайне слабое взаимодействие с веществом.     Самые многочисленные нейтрино − реликтовые. К сожалению, их энергия крайне мала, и весь этот поток остается нами незамеченным. Далее идут солнечные и геонейтрино − первые вполне поддаются регистрации на многих детекторах, вторые же обыкновенно являются фоном. Следующими по энергиям наблюдаются нейтрино от некоторых астрофизических процессов, ускорителей и реакторов. Еще выше лежат энергии атмосферных нейтрино и нейтрино, испускаемых квазарами. Потоки этих частиц с ростом энергий убывают, что осложняет их детектирование. Некоторым облегчением впрочем может послужить тот факт, что при росте энергий нейтрино растет и их сечение взаимодействия с веществом. Рис. 3. Энергии различных видов нейтрино     Методы, применяемые для регистрации нейтрино, очень сильно зависят от их источника. В изучении различных нейтрино космического происхождения одну из ключевых ролей играет черенковское детектирование. Оно требует большого объема детектора, однако хорошо зарекомендовало себя. Принцип работы данного метода следующий: ультрарелятивистское нейтрино в случае взаимодействия с веществом порождает заряженный лептон сверхвысокой энергии. Этот лептон, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в среде, порождает излучение Вавилова-Черенкова, которое возможно зафиксировать фотоумножителями. Этот метод используется в детектировании нейтрино галактического и внегалактического происхождения на так называемых нейтринных телескопах (Байкал, KM3Net, ANTARES, IceCUBE), а также в знаменитых экспериментах по регистрации солнечных нейтрино в Камиоке (Япония), о которых еще будет упомянуто в дальнейшем.     В изучении реакторных нейтрино на данный момент используют сцинтилляционные детекторы. В них используется захват антинейтрино протоном с рождением позитрона и нейтрона. Подобная реакция использовалась еще в Саванна Ривер, однако на сегодняшний день возможно строить более эффективные и компактные детекторы. Одной из разработок в данном направлении является iDREAM − промышленный детектор реакторных антинейтрино.     В эксперименте OPERA для фиксации взаимодействий нейтрино используются фотоэмульсии, которые перемежаются слоями низкофонового свинца. Кроме того, дополнительную информацию дают сцинтилляционные детекторы, дополнительные пластины фотоэмульсий, а также детекторы мюонов. Рис. 4. Спектр солнечных нейтрино и пределы различных методов     Из перспективных, но нуждающихся в развитии методов можно отметить галлий-германиевый детектор, который имеет более низкий порог регистрации нейтрино по энергии. Идея метода существует довольно давно, и он позволил зафиксировать, к примеру, солнечные нейтрино от водородного цикла. Но, в отличие от хлор-аргонового метода, в галлий-германиевом гораздо острее стоит проблема выделения продукта реакции.  Именно это затрудняет работу детекторов.     Даже в современных методах регистрации фиксируется довольно малый процент приходящих нейтрино, и это составляет значительную трудность. Проблема солнечных нейтрино     В ядерных реакциях на Солнце нейтрино образуются в достаточно большом количестве. Разумеется, это электронные нейтрино. Модели достаточно точно предсказывали поток нейтрино, который должен при этом получаться. Однако, еще в 60-х годах было обнаружено, что этот поток в два-три раза меньше, чем предсказывается так называемой «стандартной солнечной моделью». Конечно, была вероятность, что параметры этой модели попросту неверны, ведь небольшое понижение температуры давало необходимый спад интенсивности реакции.     Одним из детекторов, наиболее точно измеривших этот недостаток нейтрино, был Super-Kamiokande. За счет того, что этот детектор собрал самую большую статистику по солнечным нейтрино в истории, стало возможным точно указать на данную проблему. Поскольку уменьшение температуры Солнца ведет к некоторым другим проблемам, решение пришло из иной области. Масса нейтрино. Осцилляции     Еще в самом начале изучения нейтрино возникал вопрос: действительно ли это − безмассовая частица. Дело в том, что наличие у нейтрино массы повлекло бы за собой ряд достаточно интересных последствий.     В теории слабых взаимодействий кварков возникает понятие смешивания кварков. Это явление позволяет понять принципы нарушения CP-четности. Еще Б.М. Понтекорво было предложено, что аналогичное явление могло бы происходить с нейтрино. Однако для этого требовалось условие, которое не входит в нынешнюю стандартную модель: наличие у нейтрино массы. В таком случае, массовые состояния, и состояния по аромату будут различаться, и станет возможным регистрировать результат так называемых нейтринных осцилляций.     В итоге, если даже Солнце покидают исключительно электронные нейтрино, Земли будет достигать уже смешанный поток. С учетом расстояния между Солнцем и Землей, поток электронных нейтрино будет составлять около одной трети. Это вполне согласуется с результатами экспериментов в Камиоке. Поскольку многие эксперименты чувствительны только к одному аромату нейтрино, точно определить остальные компоненты оказывается сложным.     Наличие массы у нейтрино приводит к еще одной проблеме. Нейтрино и антинейтрино отличаются исключительно своей спиральностью. В случае массивного нейтрино эта разница перестает быть непреодолимой. В итоге, нейтрино может стать майорановским, то есть частица становится тождественной античастице. Наличие у нейтрино массы не дает окончательного ответа, является ли эта частица дираковской или майорановской, однако некоторые исследования могут пролить свет на этот вопрос. Экспериментальные исследования осцилляций     Экспериментальное наблюдение осцилляций позволит определить разницу масс нейтрино (и подтвердит их наличие). На данный момент многими признано, что эксперименты в лаборатории SNO зарегистрировали как общий поток нейтрино, так и отдельно поток электронных. Это указывает на то, что от Солнца приходят частицы и других типов. Общий поток при этом хорошо согласовывался с теоретическими предсказаниями.     Эксперимент OPERA, изучающий пучок ускорительных мюонных нейтрино также зафиксировал несколько событий рождения тау-лептона. К сожалению, точно говорить о надежности этого результата пока сложно, ибо при таком числе событий выводы будут несколько поспешными.     Эксперименты с регистрацией реакторных и ускорительных нейтрино в разные годы в Камиоке также дают надежду на то, что осцилляции являются реальностью.     Для более точного наблюдения нейтринных осцилляций предполагается использование более длинной базы прохождения нейтрино. При этом планируется измерять потоки вблизи источника, и на значительном от него расстоянии. Выдвигались даже проекты, в которых пучок нейтрино проходит практически сквозь Землю, однако они сопряжены с серьезными техническими трудностями.     Астрофизические эксперименты так же пытаются со своей стороны подойти к проблеме нейтринных осцилляций. Основная цель разрабатываемого проекта ORCA − определение, какой из вариантов иерархии масс нейтрино является верным: прямой или обратный. Дело в том, что из осцилляций нам известны разницы масс, однако непонятно, как эти разницы расположены, и между какими ароматами она больше.     На сегодняшний день одной из важных целей изучения нейтрино является более точная фиксация существования осцилляций. Измерение массы нейтрино     Непосредственное измерение массы нейтрино может оказаться связанным с бета-распадом. Дело в том, что поведение спектра бета-распада вблизи верхней границы спектра энергии электрона будет зависеть от того, какова масса нейтрино. Поэтому точные эксперименты по измерению спектра верхней границы энергии бета-распада сейчас проводятся по всему миру. Отличаться будет и поведение графика вблизи границы, и положение этой самой границы. Результатом будет непосредственное определение массы электронного нейтрино.     Подобные эксперименты чаще всего производят с бета-распадом лития. Первые работы в этой области провел еще Б.М. Понтекорво, в результате чего был установлен первый верхний предел для массы нейтрино. С каждым опытом, все более и более точным, верхняя граница отодвигается все к меньшим значениям масс, но до сих пор достоверного доказательства наличия массы у нейтрино таким способом не было получено.     Оценки для масс других типов нейтрино так же возможно получить из кинематических соображений в некоторых реакциях. Распад пиона, к примеру, позволяет наложить ограничение на массу мюонного нейтрино, а распад собственно тау-лептона позволил проанализировать соответствующее нейтрино. Однако все эти результаты являются только ограничением сверху, и пока что таким образом сложно судить о массе изучаемой частицы. Ясно только, что она крайне мала.     На данный момент известны следующие пределы масс: электронного:  m < 3.8 эВ, мюонного: m < 0.19 МэВ, таонного: m < 18.2 МэВ. Осцилляции, по-видимому, наложат более строгие ограничения. Нейтрино и двойной бета-распад     На сегодняшний день, двойной бета-распад является данностью, когда речь идет о двухнейтринном его варианте. Да, вероятность его достаточно мала, однако у многих изотопов он достоверно обнаружен, определены согласующиеся с теорией периоды полураспада. Однако, еще в те времена, когда не было установлено различие между нейтрино и антинейтрино, была предложена концепция двойного безнейтринного бета-распада. В этом варианте нейтрино испускалось при распаде нейтрона, а затем поглощалось вторым нейтроном при обратном процессе. При этом испускаются два электрона, и изменяется лептонное число.     После того, как разница между нейтрино и антинейтрино была установлена, вопрос двойного безнейтринного бета-распада несколько отошел на второй план. Казалось, майорановское нейтрино было напрочь перечеркнуто. Однако, изучение осцилляций нейтрино предполагает две возможные природы этих осцилляций − майорановскую и дираковскую. В связи с этим, сейчас исследования безнейтринного бета-распада снова становятся актуальными. Поскольку сами осцилляции говорят нам только о разности масс, но не говорят об их природе (более того, не исключено даже то, что самое легкое нейтрино все-таки не имеет массы), проверка существования или не существования бета-распада подобного типа окажет серьезное влияние на понимание природы явления. Перспективы исследований нейтрино     Подтверждение наличия массы у нейтрино будет первым шагом за пределы современной Стандартной модели, хотя потребует сравнительно небольшого расширения этой теории. В то же время, нарушение закона сохранения лептонного числа − довольно существенный эффект, который нельзя сбрасывать со счетов.     В практическом плане применение нейтрино стоит в самом начале своего развития. На данный момент, даже несмотря на серьезный прогресс в постройке нейтринных телескопов, существенные результаты в астрофизике еще не получены, хотя дальнейший набор статистики может это изменить.     Осцилляции нейтрино в веществе, возможно, когда-нибудь создадут условия для исследования глубинной структуры Земли, но на пути у подобного применения стоит, опять-таки, несовершенство метода регистрации.     Ближе всего к практическому применению подходит проект по мониторингу ядерных реакторов с помощью измерения потоков нейтрино. Однако, методика все еще ждет тестирования и отработки.     В любом случае, исследование нейтрино и связанных с ним явлений имеет несомненную научную ценность, и любые результаты, даже просто ставящие ограничения сверху на тонкие эффекты, чрезвычайно важна. Литература Е.В.Широков «Физика микромира», ISBN 978-5-98227-980-4, 2015 Ядерная физика в интернете, Б.С Ишханов, Э.И. Кэбин. Бета распад  Ядерная физика в интернете, Физика нейтрино Ядерная физика в интернете, Л.И. Сарычева. Ядерные реакции на Солнце и в звездах

Частица-призрак: нейтрино

Алексей Левин
«Популярная механика» №3, 2010

Пока вы читали короткий заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пролетело 10¹⁴ нейтрино.

Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.

В принципе, эту аномалию можно объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. В качестве «крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.

Паули понимал, что его идея очень уязвима для критики. Впервые он сообщил о ней в письме от 4 декабря 1930 года, адресованном специалистам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо подчеркнув, что не счел возможным публиковать свою гипотезу в научном журнале. Неформальный характер этого послания выражен даже в обращении «Дорогие радиоактивные дамы и господа!». Признавая, что его предположение выглядит «почти невероятным», Паули все же попросил коллег подумать, как обнаружить гипотетическую частицу в эксперименте.

Лингвистическое нововведение Паули скоро поменяло адресата — нейтроном назвали нейтральный аналог протона, открытый в 1932 году Джеймсом Чедвиком. А вот сама идея оказалась исключительно плодотворной. В 1933–1934 годах итальянец Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми окрестил нейтрино. При этом он совершенно по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда следует, что оно обладает световой скоростью) и что для его возникновения не нужны посредники в виде каких-либо вспомогательных частиц.

Теория Ферми описывает еще один тип бета-распада, при котором возникают ядра с уменьшенным на единицу атомным номером. Она объясняет этот распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование. Поскольку позитрон — античастица электрона, естественно предположить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Принято считать, что при электронном бета-распаде возникают антинейтрино, а при позитронном — нейтрино (в соответствии с положением теории Дирака, согласно которому частицы и античастицы всегда рождаются парами). В начале 1950-х была сформулирована концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону число –1. При обоих типах бета-распада эти числа (их называют также лептонными зарядами) сохраняются: сначала лептонов нет вовсе, а затем рождаются лептон и антилептон (электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино), и поэтому лептонное число и до, и после распада остается нулевым.

Нейтрино обладают феноменальной проникающей способностью. Ганс Бете и Рудольф Пайерлс в том же 1934 году с помощью теории Ферми вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких МэВ взаимодействуют с веществом настолько слабо, что могут беспрепятственно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет! Узнав об этом, Паули во время визита в Калифорнийский технологический заявил, что совершил ужасную вещь — предсказал существование частицы, которую вообще невозможно обнаружить!

Пессимистический прогноз Паули опровергли в 1955–1956 годах, после того как американские физики под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса экспериментально подтвердили существование нейтрино (за что в 1995 году Рейнес получил Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн).

Источником нейтрино для их эксперимента стал один из реакторов ядерного комплекса Savannah River в штате Южная Каролина. Мощные потоки антинейтрино (10 трлн частиц на 1 см² в секунду!) генерировались бета-распадами ядер урана и плутония. Согласно теории Ферми, антинейтрино при столкновении с протоном порождает позитрон и нейтрон (это так называемый обратный бета-распад). Эти превращения регистрировали с помощью обвешанного датчиками контейнера, заполненного водным раствором хлорида кадмия. Практически все антинейтрино проходили сквозь него беспрепятственно, но в отдельных случаях все же взаимодействовали с ядрами водорода. Возникающие позитроны аннигилировали с электронами, порождая пару гамма-квантов с энергиями порядка 0,5 МэВ. Новорожденные нейтроны поглощались ядрами кадмия, которые испускали гамма-кванты другой частоты. Длительная регистрация такого гамма-излучения позволила надежно доказать реальность нейтрино, о чем в июне 1956 года экспериментаторы известили Паули специальной телеграммой.

Когда группа Коуэна и Рейнеса завершила свой эксперимент, физики полагали, что все нейтрино одинаковы. Однако в конце 1950-х годов теоретики из Советского Союза, Соединенных Штатов Америки и Японии предположили, что нейтрино, сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют электронам и позитронам (эта идея впервые была высказана десятилетием раньше, но потом о ней забыли). Так возникла гипотеза нового, мюонного нейтрино (естественно, и антинейтрино). В 1961–1962 годах ее подтвердили в Брукхейвенской национальной лаборатории, и в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили за это Нобелевскую премию. Позднее теоретики поняли, а экспериментаторы удостоверили, что третий и самый массивный заряженный лептон, тау-частица, тоже обладает собственным нейтрино. Так что ныне физика имеет дело с нейтральными лептонами трех видов — это электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждой лептонной паре соответствует пара кварков (в этом же порядке перечисления) — u-кварк и d-кварк, c-кварк и s-кварк, t-кварк и b-кварк.

Существованием трех видов нейтрино объясняются парадоксальные результаты определения плотности потока достигших Земли нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях в центре Солнца. Первый детектор солнечных нейтрино Рэй Дэвис и его коллеги установили в золотодобывающей шахте в штате Южная Дакота на глубине полутора километров во второй половине 1960-х годов. Результаты их работы оказались неожиданными — плотность потока солнечных нейтрино была как минимум вдвое меньше величины, соответствующей модели внутрисолнечных процессов (уже хорошо разработанной и считавшейся вполне надежной). Со временем нейтринные обсерватории в Италии, СССР и Японии подтвердили данные американцев и с разной степенью убедительности показали, что плотность потока солнечных нейтрино примерно втрое меньше расчетной. Следует отметить, что использованный группой Дэвиса метод детектирования, основанный на нейтринном превращении хлора-37 в аргон-37, первым предложил эмигрировавший в СССР коллега Ферми, итальянский физик Бруно Понтекорво.

Полученные результаты пытались интерпретировать самыми разными путями, но в конце концов восторжествовало объяснение, предложенное более 40 лет назад Понтекорво и Владимиром Грибовым. Согласно их гипотезе, рождающиеся в недрах Солнца электронные нейтрино по пути к Земле частично изменяют свою природу и превращаются в нейтрино мюонного типа. Детекторы, о которых шла речь, их не регистрировали (или почти не регистрировали), поэтому результаты и оказались заниженными. Когда выяснилось, что существуют три разных нейтрино, стало понятным, почему измеренные показатели оказались втрое меньше ожидаемых.

Непростой характер нейтрино надежней всего доказали сотрудники канадской нейтринной обсерватории Сэд-бери (Sudbury Neutrino Observatory). Детектором у них служил установленный в действующей шахте (на глубине 2 км) контейнер из оргстекла, заполненный тысячей тонн тяжелой воды. Этот нейтринный телескоп производил детектирование двумя различными методами — один регистрировал лишь электронные нейтрино, другой — любые. Весной 2002 года экспериментаторы объявили, что второй показатель втрое больше первого. Это означало, что на Солнце рождается нужное количество электронных нейтрино, но по пути к Земле треть из них превращается в мюонные, а еще треть — в тау-нейтрино (этот процесс называется нейтринной осцилляцией).

Наличие осцилляций имеет поистине фундаментальное значение. Они возможны лишь в том случае, если нейтрино во всех своих ипостасях обладают не нулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; скорее всего, она составляет доли электрон-вольта, что как минимум в миллион раз меньше массы электрона. Однако сам факт, что она все-таки существует, позволяет объяснить асимметрию между материей и антиматерией.

Рассказ о космических нейтрино окажется неполным, если не упомянуть, что помимо нейтрино высоких энергий, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых, в космосе имеются очень низкоэнергетические нейтрино, сохранившиеся от эпохи Большого взрыва. Расчетная плотность этих реликтовых частиц совпадает с плотностью реликтовых фотонов, но обнаружить их пока невозможно (не существует приборов).

В 1937 году рано ушедший из жизни феноменально одаренный итальянский физик-теоретик Этторе Майорана опубликовал статью «Симметричная теория электрона и позитрона». В соответствии с его теорией электрически нейтральные частицы и античастицы полностью одинаковы и потому неотличимы друг от друга. Нейтрино с этими свойствами выполняют ключевую роль в теории, объясняющей космическую асимметрию между материей и антиматерией.

«Если нейтрино обладает нулевой массой, вопрос о том, отличается оно от своей античастицы или совпадает с ней, не имеет смысла. А вот наличие массы означает, что возможны оба варианта. В первом случае нейтрино называется дираковским, во втором — майорановским. И как на этот счет распорядилась природа, пока не известно, — рассказал «Популярной механике» профессор теоретической физики Северо-западного университета Андре де Гувеа. — До сих пор эксперименты показывали, что лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. Если нейтрино является дираковской частицей, этот закон вообще никогда не должен нарушаться. А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться лишь приближенно и, следовательно, допускать нарушения. Экспериментаторы знают даже, где их искать. Есть такой внутриядерный процесс, двойной бета-распад: сразу два нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Эти превращения происходят чрезвычайно редко, но все же случаются. Сейчас много где пытаются обнаружить двойной безнейтринный бета-распад — перескок ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. И если его найдут, придется согласиться, что лептонное число может не сохраняться и что нейтрино следует считать майорановской частицей».

Во всех экспериментах наблюдаются нейтрино, у которых спин противоположен импульсу, — такие частицы называют левовинтовыми. У антинейтрино спин смотрит в ту же сторону, что и импульс, — это правовинтовые частицы. Но если нейтрино подчиняется уравнению Майорана, оно может проявить себя в слабых взаимодействиях и как частица с правой ориентацией. Правда, в эксперименте подобные нейтринные разновидности не обнаружены, но это не фатально. Можно предположить, что из-за гигантской массы порядка 10¹⁴–10¹⁶ ГэВ они рождались лишь в составе сверхгорячей материи, существовавшей впервые мгновения после космологической инфляции.  Будучи крайне нестабильными, они почти мгновенно распадались и из-за прогрессирующего охлаждения Вселенной больше не возникали.

И вот тут-то начинается самое интересное. Сверхмассивные майорановские нейтрино, или просто майораны, превращаются в бозоны Хиггса и лептоны. Коль скоро в этих распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменяется. Этот процесс называется лептогенезом.

Этим дело не кончается. Взаимодействие между оставшимися после распада майоранов лептонами сверхвысоких энергий может привести к появлению кварков и антикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез — возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. А потом случилась Великая Аннигиляция со всеми ее последствиями. Сейчас бариогенез через лептогенез — наиболее популярная интерпретация дефицита антиматерии в нашей Вселенной.

«Конечно, это всего лишь теория, — поясняет профессор де Гувеа. — Мы не знаем даже, можно ли считать нейтрино майорановской частицей. Если эта гипотеза получит экспериментальное подтверждение, то позиции модели лептогенеза значительно укрепятся».

На сегодня модель с участием майорановских нейтрино лучше всего объясняет тайну абсолютного преобладания материи над антиматерией в нашей вселенной, считает экс-президент Американского физического общества, физик-теоретик Xелен Квигг из Стэнфордского университета. Она отмечает, что рождение нейтрино при распаде майоранов позволяет объяснить их ничтожную массу — для этого придумана очень красивая теория, так называемый механизм see-saw. Впрочем, доктор Квигг подчеркнула, что эта идея не может быть проверена экспериментом в обозримом будущем. По ее словам, не исключено даже, что эта модель так и останется красивой гипотезой.

Что такое нейтрино? — Scientific American

Аксель Л. Халлин, профессор физики Королевского университета и Нейтринной обсерватории Садбери, дает следующее описание:

Нейтрино — субатомная частица, очень похожая на электрон, но не имеющая электрического заряда и очень маленькая масса, которая может быть даже равна нулю. Нейтрино — одна из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно трудно обнаружить. Ядерные силы относятся к электронам и нейтрино одинаково; ни один из них не участвует в сильном ядерном взаимодействии, но оба в равной степени участвуют в слабом ядерном взаимодействии. Частицы с этим свойством называются лептонами. Помимо электрона (и его античастицы, позитрона), к заряженным лептонам относятся мюон (с массой в 200 раз больше, чем у электрона), тау (с массой в 3500 раз больше, чем у электрона) и их античастицы.

И мюон, и тау, как и электрон, имеют сопутствующие нейтрино, которые называются мюон-нейтрино и тау-нейтрино. Три типа нейтрино кажутся разными: например, когда мюонные нейтрино взаимодействуют с мишенью, они всегда будут производить мюоны, а не тау-нейтрино или электроны. При взаимодействии частиц, хотя электроны и электрон-нейтрино могут создаваться и уничтожаться, сумма числа электронов и электрон-нейтрино сохраняется. Этот факт приводит к разделению лептонов на три семейства, каждое из которых имеет заряженный лептон и сопровождающее его нейтрино.

Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, низкоэнергетическое нейтрино проходит много световых лет обычной материи, прежде чем с чем-либо взаимодействовать. Следовательно, все земные эксперименты с нейтрино основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера. Например, в нейтринной обсерватории Садбери 1000-тонный детектор солнечных нейтрино на тяжелой воде улавливает около 10 ¹² нейтрино каждую секунду. Регистрируется около 30 нейтрино в сутки.

Вольфганг Паули впервые постулировал существование нейтрино в 1930 году. В то время возникла проблема, поскольку казалось, что энергия и угловой момент не сохраняются при бета-распаде. Но Паули указал, что если бы была испущена невзаимодействующая нейтральная частица — нейтрино, то можно было бы восстановить законы сохранения. Первое обнаружение нейтрино произошло только в 1955, когда Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс зафиксировали антинейтрино, испускаемые ядерным реактором.

Естественные источники нейтрино включают радиоактивный распад первичных элементов в земле, который генерирует большой поток низкоэнергетических электронов-антинейтрино. Расчеты показывают, что около 2% солнечной энергии уносится нейтрино, образующимися там в реакциях синтеза. Сверхновые тоже в основном связаны с нейтрино, потому что нейтрино — единственные частицы, которые могут проникнуть сквозь очень плотный материал, образовавшийся в коллапсирующей звезде; только небольшая часть доступной энергии преобразуется в свет. Возможно, что большая часть темной материи Вселенной состоит из первичных нейтрино Большого взрыва.

Области, связанные с частицами нейтрино и астрофизикой, богаты, разнообразны и быстро развиваются. Поэтому невозможно попытаться обобщить всю деятельность в этой области в короткой заметке. Тем не менее, текущие вопросы, привлекающие большое количество экспериментальных и теоретических усилий, включают следующее: каковы массы различных нейтрино? Как они влияют на космологию Большого Взрыва? Осциллируют ли нейтрино? Или нейтрино одного типа могут превращаться в другой тип, когда они путешествуют через материю и пространство? Отличаются ли нейтрино от своих античастиц? Как звезды коллапсируют и образуют сверхновые? Какова роль нейтрино в космологии?

Одним из давних вопросов, представляющих особый интерес, является так называемая проблема солнечных нейтрино. Это название связано с тем фактом, что несколько наземных экспериментов, проводившихся за последние три десятилетия, последовательно наблюдали меньше солнечных нейтрино, чем было бы необходимо для производства энергии, излучаемой Солнцем. Одно из возможных решений состоит в том, что нейтрино колеблются, то есть электронные нейтрино, созданные на Солнце, превращаются в мюонные или тау-нейтрино по мере их движения к Земле. Поскольку измерить низкоэнергетические мюонные или тау-нейтрино гораздо труднее, такое преобразование могло бы объяснить, почему мы не наблюдаем правильного количества нейтрино на Земле.

Министерство энергетики объясняет… нейтрино | Департамент энергетики

Управление
Наука

Ученые изучают нейтрино, производимые ядерными реакторами, радиоактивный распад, ускорители частиц, Солнце, Землю и космос.

o Изображение предоставлено Национальной ускорительной лабораторией Ферми. Работа Sandbox Studio с Ana Kova

Нейтрино , пожалуй, самая известная частица в Стандартной модели физики элементарных частиц: она крошечная, нейтральная и весит так мало, что никто не смог измерить ее массу. Нейтрино — самые распространенные во Вселенной частицы, имеющие массу. Каждый раз, когда атомные ядра собираются вместе (как на Солнце) или распадаются (как в ядерном реакторе), они производят нейтрино. Даже банан излучает нейтрино — они возникают из-за естественной радиоактивности калия во фруктах.

После образования эти призрачные частицы почти никогда не взаимодействуют с другой материей. Каждую секунду через ваше тело проходят десятки триллионов нейтрино от Солнца, но вы их не чувствуете.

Теоретики предсказали существование нейтрино еще в 1930 году, но экспериментаторам потребовалось 26 лет, чтобы открыть эту частицу. Сегодня ученые пытаются определить массу нейтрино, как оно взаимодействует с веществом и является ли нейтрино собственной античастицей (частицей с такой же массой, но с противоположными электрическими или магнитными свойствами) или нет. Некоторые ученые считают, что нейтрино могут быть причиной того, что вся антиматерия (античастицы всей материи) исчезла после Большого взрыва, оставив нас во Вселенной, состоящей из материи.

Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в науку о нейтрино

Поддержка науки о нейтрино со стороны Министерства энергетики привела к множеству удивительных открытий, получивших Нобелевскую премию. Сегодняшние инвестиции продолжают это наследие посредством экспериментов и международных объектов, размещенных в США. Например, эксперимент KATRIN направлен на непосредственное измерение массы нейтрино. Другие эксперименты, в том числе PROSPECT и программа Fermilab Short-Baseline Neutrino, используют нейтрино из реакторов и ускорителей для поиска неизвестных типов нейтрино помимо трех, открытых учеными до сих пор. Ученые используют эксперимент MAJORANA Demonstrator глубоко под поверхностью Земли, чтобы определить, являются ли нейтрино их собственными античастицами или нет. Другие эксперименты с нейтрино, в том числе NOvA и предстоящий международный эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment, изучают явление, называемое «осцилляции нейтрино», которое показывает, как различается масса разных типов нейтрино.