Александр Гордон - Диалоги (октябрь 2003 г.)
Но оказалось, что она обладает совсем не теми свойствами, что частицы Юкава. Она слабо взаимодействует 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 лабораторию Алиханяна и Алиханова для изучения этого вопроса. Но, к сожалению, их здесь подвел темперамент. Они обнаружили слишком много частиц, получили даже за это Сталинскую премию. Назвали их варитроны и так далее. Оказалось, что среди этих частиц и была нужная частица. Но это сделал уже Блекетт – английский физик, Паули и Оккиалини. Они обнаружили, что действительно есть частица Юкава, которая распадается на частицу, которую назвали мю-мезон, и нейтральную частицу, которую назвали нейтрино. Но, вообще говоря, никаких данных, что это то же самое нейтрино, что и в бета-распаде, не было. Оказалось, что это другое нейтрино.
Можно и дальше говорить, какую роль сыграло нейтрино. Потом открыли то, что называется «не сохранение четности в слабых взаимодействиях», то, что законы природы не зеркально-симметричны, как это происходит в электромагнитном поле и для сильных взаимодействий. Независимо друг от друга несколько человек – Ландау, Ли, Янг, Салам, все Нобелевские лауреаты впоследствии, – предположили, что нейтрино является спиральной частицей. Спиральная частица – как винтик, 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 координат, движущуюся вместе с частицей или даже быстрее её, то импульс и вращение сменятся с левого на правое.
В.Л. Это-то как раз было трагедией для экспериментаторов, потому что заранее постулируется, что частица не имеет массы. Что еще можно искать? Но, тем не менее, надо отдать должное экспериментаторам того поколения – они начали искать массу с самого начала. Хотя уже существовала гипотеза о Вейлевском нейтрино, ужасно красивая.
С.Г. Автоматически предсказывалось, что масса ноль.
В.Л. Да, масса ноль и зачем искать? Но, тем не менее, поиски начались буквально почти с момента появления гипотезы о существовании нейтрино. И в этом деле очень большую роль сыграл распад трития, потому что тритий оказался наиболее, как говорится, «комильфо» для этих экспериментов, поскольку он обладал очень маленькой, по меркам радиоактивных веществ, 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, почти в сотню раз. Но тогда несложно предположить, что, наверное, она близка к нулю.
А.Г. Он и есть.
В.Л. А вот есть или нет – это тогда абсолютно не было известно.
С.Г. 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 Сударшан использовали идею спиральности и решили, что все частицы – и массивные, и электроны, и протоны, – имеющие массу, тоже входят слегка левым образом. На основе этого предположения им удалось создать теорию бета-распада, а к тому времени были известны 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 предположил, что эти мю-мезоны захватываются ядрами наподобие того, как иногда электроны захватываются ядрами с испусканием нейтрино. Отсюда пошла гипотеза об универсальности слабых взаимодействий, что бета-силы не одиночные силы, а все распады с испусканием нейтрино и других частиц, связаны со слабыми взаимодействиями. А форма взаимодействия была такая, как если бы два тока обменивались частицей, имеющей спин единицу. Когда это было выяснено, была создана единая теория электрослабых взаимодействий, объединили слабые взаимодействия с электромагнитными. Точно так же, как в 19-ом веке Фарадей и Максвелл обнаружили единство магнитных и электрических сил, так обнаружено было и это единство слабых и электромагнитных взаимодействий.
Нейтрино в этом сыграло выдающуюся роль, потому что так называемый «V-А вариант» был построен по типу взаимодействия левых и правых частиц. И это блестяще подтвердилось. Принципы, на которых была построена теория, потом использовались уже в теории сильных взаимодействий – взаимодействий кварков. Возникла новая наука «квантовая хромодинамика».
Последние открытия, о которых Владимир Михайлович будет говорить, показывают, что нейтрино поведет нас еще и дальше, возможно, действительно к фундаментальнейшим следствиям.
В.Л. Вглубь Вселенной.
А.Г. Как?
В.Л. Нейтрино вместе с реликтовым фотоном является самой распространенной частицей в мире, то есть на каждый, скажем, нуклон или же тяжелую частицу приходится примерно десять в девятой степени нейтрино. То есть, вообще говоря, мы находимся в нейтринном море…
С.Г. «Нейтрино вокруг нас».
В.Л. Особенно большую роль это играло в момент биг-бенга, то есть рождения Вселенной. Тогда вообще существовали только электромагнитная плазма и нейтрино. А потом, при расширении, нейтрино смогли бы взаимодействовать друг с другом и за счет флуктуации образовать зародыши галактик…
С.Г. Если бы у них была масса.
В.Л. И вот теперь вопрос: галактики-то существуют. А действительно ли нейтрино вызвало это? По исследованиям реликтового излучения, действительно, нейтрино вроде бы имеют малую массу и способны вызвать эти флуктуации. Теперь дело за подтверждением этого экспериментами на Земле.
С.Г. Но, в конечном счете, твой эксперимент показывает, что это не так. Нейтрино играют во Вселенной колоссальную роль, но не…
А.Г. Дайте, я попробую задать вопрос, а вы поймете, понимаю я, о чем идет речь или нет. Нейтрино много, и они обладают маленькой, но массой. За счет общего количества этих частиц можно предположить общую массу нейтрино во Вселенной и таким образом избавиться от давно мучащего нас вопроса: почему та материя, которую мы имеем, занимает такой незначительный процент? Так теперь, оказывается, списать это на нейтрино не получается, даже если мы учитываем, что нейтрино может изменяться?
В.Л. Несомненно, что нейтрино в начале, примерно, по-моему, 400000 лет после биг-бенга, играли лидирующую роль в образовании флуктуации. Я думаю, что…
С.Г. Нет, нет. Вы очень хорошо поняли тему, потому что как раз из этих соображений Яков Борис Зельдович и я оценили верхний предел на массу всех типов нейтрино. Он тогда был примерно в тысячу раз, скажем, меньше, чем масса электрона. Сейчас эта цифра опять уменьшена, до 20 электрон-вольт… Но ваш вопрос совершенно правильный. Потому что из этих соображений мы и оценили в свое время верхнюю границу. Но… оказалось, что существует три типа нейтрино. Массу электронного нейтрино Владимир Михайлович с рекордной точностью ограничил верхним пределом – два электрон-вольт сейчас, да?
В.Л. Да.
С.Г. То лабораторные эксперименты для мюонного нейтрино дают верхнюю границу в 300 килоэлектрон-вольт, это почти 160 масс электрона. А для так называемого тау-нейтрино прямые эксперименты дают массу 15 миллионов электрон-вольт. То есть в 30 раз больше. Это прямые солнечные эксперименты. А вот из космологических данных на все эти массы можно было дать меньший верхний предел. Но в принципе, этот предел позволял бы, как говорит Владимир Михайлович, соорудить, так сказать, галактики, скопление галактик и так далее.
В.Л. А также звезды, планеты и человека…
С.Г. Но благодаря экспериментам последних лет, которые произвел Владимир Михайлович, оказалось, что так, к сожалению, не получается. Не из-за нейтрино образовались скопления галактик и так далее.
А.Г. То есть, нейтрино играли роль в образовании структуры Вселенной, но не только они.
С.Г. Они маленькую роль играли, скорее всего.
Я хотел пояснить вот какую вещь. Почему реально было зарегистрировать нейтрино? Почему в этом сомневались, и почему все-таки это удалось? Оказывается, нейтрино с реакторной энергией или то, что от Солнца идет, может пролететь десять в двадцатой сантиметров в плотном веществе, в чугуне, это в 10 миллионов раз больше, чем расстояние от Солнца до Земли. И только на этом расстоянии есть вероятность, близкая к двум третьим, что оно вызовет какую-то реакцию.
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…
