Знание – сила, 2000 №08

За регистрацию электронных нейтрино, потоки которых приходят к нам от Солнца, Клайд Коуэн и Фредерик Райнес получили Нобелевскую премию по физике (это главная награда в мире физики, которая вручается один раз в год за самое значительно открытие прошедших лет). За открытие мюонного нейтрино Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер тоже получили Нобелевскую премию. С тау-нейтрино все было еще сложнее потому, что тау- лептоны самые тяжелые, и они очень редко рождаются. Американский экспериментатор Мартин Перл из Стэнфорда, также получивший за открытие тау- лептона Нобелевскую премию, всегда подчеркивал: «Открытие тау-нейтрино очень важно и очень увлекательно».

Суть проблемы в том, что по структуре взаимодействия частиц они входят в него парами: если есть электрон, то обязательно должно быть и электронное антинейтрино, если есть мюон, то должно быть антинейтрино мюонное, а тау- лептон появляется только в сопровождении своего антинейтрино. Все эксперименты в течение последних лет двадцати доказывали справедливость Стандартной модели взаимодействия, в ней не хватало лишь последних кирпичиков. Мало кто сомневался в том, что тау-нейтрино существует, но если бы его не удалось отыскать, то рухнуло бы все стройное здание современной теории элементарных частиц. Так что искать стоило.

На поиски пустилась интернациональная экспериментальная группа физиков из США, Японии, Южной Кореи и Греции. Десять лет длилась погоня, и наконец-то она завершилась удачей! Эксперимент назывался DONUT ( по первым буквам слов в английской фразе «Direct Observation of the NU Таи» – прямое наблюдение тау-нейтрино). В 1997 году с помощью ускорителя «Тэватрон» через экспериментальную установку было пропущено колоссальное количество нейтрино. По расчетам теоретиков, среди них должно было быть не менее триллиона (это миллион миллионов) тау-нейтрино. Установка зарегистрировала около шести миллионов событий. Кстати, современная экспериментальная установка – это сложнейшее многоэтажное (длиной 15 метров) и многослойное сооружение. После тщательного анализа всей зарегистрированной на различных частях установки информации (анализ продолжался более трех лет) ученые отобрали тысячу кандидатов на рождение и распад тау-лептона. Кандидатами они называются потому, что на этом этапе анализа нельзя сказать с уверенностью – то или не то. На втором этапе в анализ включаются мощнейшие компьютерные ресурсы, и после многократных гипотез и многоступенчатых проверок было отобрано четыре события, которые несомненно указывают на то, что тау-лептон родился и распался на другие частицы, среди которых есть тау-нейтрино. Все авторитеты и эксперты мира элементарных частиц сходятся в том, что такой грандиозный труд и важнейший результат должны быть вознаграждены Нобелевской премией.

Конечно, на этом открытии наука не кончается, просто пройден ее важный этап – завершено строительство таблицы элементарных частиц и подтверждена существующая модель их взаимодействия.

Нынешний июль вообще выдался невероятно богатым на нейтринные новости. Очень давно уже ничего настолько интересного не происходило в этой отрасли науки. 21 июля объявила о своем результате команда DONUT, а за день до них еще об одной находке сообщили японские физики: они доказали, что нейтрино разного сорта могут превращаться друг в друга.

Это еще одно очень важное явление в физике элементарных частиц, которое называется осцилляциями. До сих пор до конца было не ясно, есть у нейтрино масса или нет. Все эксперименты показывали и показывают, что она очень и очень маленькая. Но есть эта малость или нет – вопрос принципиальный. Нейтрино с нулевой массой никогда не могут превращаться из одного сорта в другой (электронное в мюонное, например), это запрещают законы физики. Если же масса есть, хоть и крошечная, то такие превращения становятся возможными. А это важно вот почему. Уже почти полвека физики пересчитывают количество нейтрино, прилетевших к нам от Солнца. Конечно, пересчитывают они далеко не все, а лишь крошечную толику тех, что взаимодействуют в веществе земных экспериментальных установок. Астрономы, в свою очередь, рассчитывают, сколько нейтрино должно прилететь к нам от Солнца, где они рождаются в термоядерных реакциях. Так вот, экспериментаторы регистрируют в два с лишним раза меньше, чем предсказывают теоретики.

Это расхождение долгие годы служило причиной распрей: теоретики требовали мерить получше, а экспериментаторы – считать потщательней, но результат оставался неизменным. Потом была выдвинута гипотеза осцилляций: на Солнце рождаются электронные нейтрино, а по пути на Землю часть из них превращаются в мюонные, которых не видят установки экспериментаторов, настроенные на электронные нейтрино. Прекрасное объяснение, но для его торжества у нейтрино должна быть масса, чего доказать никому не удавалось. Японские физики доказали, что осцилляции есть в земном эксперименте. Правда, эксперимент пришлось сделать достаточно внушительный. Называется он К2К. На японском ускорителе КЕК формируется пучок нейтрино и направляется через поверхность Земли на расстояние 250 километров в другой известнейший японский эксперимент – Суперкамиоканде. Последний – это огромнейшая бочка с 250 тысячами тонн воды, которая упрятана под землю и предназначена для ловли нейтрино, приходящих к нам от других звезд. Но этот нейтринный телескоп решили использовать и в земных нуждах.

В целях краткости не будем описывать, сколь сложно прицеливаться пучком невидимых и неуловимых частиц на расстоянии 250 километров, скажем лишь, что японцам удалось это сделать. Не менее важно было доказать, что регистрируются нейтрино от ускорителя, а не с небес. Для этого нейтрино посылались из ускорителя не сплошным потоком, а короткими импульсами. Время регистрации событий точно совпадало со временем посылки пучка плюс, естественно, некоторая добавка, необходимая на то, чтобы пролететь 250 километров от ускорителя до детектора. Эксперимент начался в июне 1999 года. В том же месяце удалось зарегистрировать первое взаимодействие нейтрино (как вы помните, они взаимодействуют с веществом очень слабо, подавляющая часть пролетает бак Суперкамиоканде насквозь, и лишь миллиардная доля взаимодействует с ядром одного из атомов в молекуле воды). До марта 2000 года установка зарегистрировала 17 событий, а расчеты теоретиков ускорителя давали цифру 29. В этом земном эксперименте есть принципиальное отличие от слежения за солнечными нейтрино: теоретики точно знают, сколько нейтрино было пущено из ускорителя, они могут достаточно точно подсчитать, сколько их долетело до Суперкамиоканде и сколько там провзаимодействовало. Конечно, возможны неточности в 5-10 процентов, но никак не разы. А сколько нейтрино долетает от Солнца, неизвестно. Есть лишь расчеты по модели Солнца. Если их мало долетает, то может быть неверна модель? В японском эксперименте все сомнения были устранены.