В чем уникальность нейтрино и какие тайны они могут нам открыть

Нейтрино — ​самые загадочные фундаментальные частицы Стандартной модели. В чем их уникальность, зачем тратят столько усилий на их исследования и какие тайны они могут нам открыть? Объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.

Частица из странности

Нейтрино предсказал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, существованием этой частицы он объяснял очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.

Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.

Лишь в конце 1950-х нейтрино удалось наконец зарегистрировать. Представим мысленно еще раз весь процесс: распад ядра на другое ядро и появление электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, создающий такие распады, и есть поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеивается на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе из ниоткуда, вы можете сделать вывод, что это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Это и является основным убедительным средством регистрации нейтрино.

Такие разные

Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — ​так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — ​если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.

Есть электроны и соответствующий им тип нейтрино — ​электронный, и есть аналоги, лептоны второго и третьего поколений: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд –1, а нейтрино — ​нейтральные частицы. Когда мы говорим, что зарегистрировали мюонное нейтрино, это значит, что оно было зарегистрировано в том процессе, когда появляется мюон; нейтрино электронное — ​когда появляется электрон; тау-нейтрино — ​когда появляется тау-лептон.

Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — ​тау-антинейтрино. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что такие частицы существуют.

Проходят сквозь стены

Нейтрино очень тяжело экспериментально изучать. Они свободно проходят через все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно построить стенку, например, из свинца, шириной от Солнца до следующей звезды. Так что остается только описанный выше опосредованный способ регистрации — ​по результатам взаимодействия нейтрино с ядром.

Но есть и плюс: так как для нейтрино нет преград, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором этот источник находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг в режиме реального времени. Тот же принцип действует и в случае с ядерным реактором: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там происходят.

А если говорить о неядерных процессах и нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и если, например, энергия нейтрино в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Представим следующий процесс: космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов. Появляются энергичные нейтрино, которые проходят через центр Земли, вступают в реакции с веществом внутренних оболочек планеты. Мы можем поставить детектор на выходе, а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов. Получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.

Применений у нейтрино много, но, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понимать, как они взаимодействуют в тех или иных случаях.

В поисках стерильного

С нейтрино связаны странные процессы: например, превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого — ​это называется нейтринными осцилляциями. За исследования в этой области уже присудили несколько Нобелевских премий по физике.

В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми частицами и подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. У каждого из них есть свой «близнец» — ​антинейтрино. Согласно одной из гипотез, кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще и четвертое — ​стерильные нейтрино. Эти частицы не участвуют даже в слабом взаимодействии, отчего зарегистрировать их крайне сложно.

Обнаружить их можно по факту уменьшения потока антинейтрино в процессе осцилляций — ​при переходе «обычных» нейтрино в стерильные и обратно.

Сейчас в России проводят три эксперимента, цель которых — ​поиск стерильных нейтрино, все эти исследования поддерживает «Росатом». Первый эксперимент, DANSS, проходит на Калининской АЭС. В качестве источника нейтрино используется ядерный реактор одной из энергетических установок. На станции стоит детектор, который регистрирует антинейтрино, приходящие из ядерного реактора.

Второй эксперимент — ​«Нейтрино‑4». Его проводят в Димитровграде на исследовательском реакторе СМ‑3 в НИИАР. Третий, BEST, проводится в Кабардино-Балкарии, в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Там в качестве источника нейтрино используют короткоживущий изотоп хром‑51. По результатам взаимодействия нейтрино с детектирующим веществом (галлием) судят о том, есть стерильное нейтрино или нет. Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций, конечно, проводят не только в России. В Китае, например, проходит реакторный нейтринный эксперимент Daya Bay, в международную коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран, в том числе из России. Там источник антинейтрино — ​шесть ядерных реакторов, а в трех залах, на расстоянии от 500 до 1800 м от источника, расположены восемь антинейтринных детекторов.

Многие слышали про эксперимент IceCube, который проводится в Антарктике. Глубоко подо льдом, на расстоянии от 1450 до 2450 м друг от друга, расположены тросы с прикрепленными к ним детекторами. Как мы помним, только нейтрино могут пройти Землю насквозь, так что IceCube регистрирует нейтрино, пришедшие из Северного полушария.

В японской подземной лаборатории находится детектор Super-Kamiokande — ​там работал японский ученый Такааки Кадзита, получивший Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций.

А в США в начале 2020-х планируется эксперимент DUNE. Там осцилляции нейтрино будут изучать одновременно два детектора: ближний (в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, где расположен ускоритель) и дальний, который будет находиться на расстоянии 1300 км, в Сэнфордской подземной исследовательской лаборатории.

Теоретические предсказания, касающиеся стерильных нейтрино, ученые пытаются уточнить уже на протяжении десятка лет, однако пока нельзя говорить о том, что какой-то эксперимент имеет стопроцентный успех.

Тем не менее это новая физика, которая сейчас активно развивается. Вне зависимости от результатов этих экспериментов мы существенно расширим наши знания об устройстве мира и дополним (или опровергнем) Стандартную модель.