В середине июня ученые из Нейтринной обсерватории Садбери (SNO, провинция Онтарио, Канада) объявили о том, что им наконец удалось найти решение проблемы, более тридцати лет мучившей физиков-теоретиков (и в не меньшей степени их коллег-астрофизиков), - раскрыта "тайна нехватки солнечных нейтрино". Представленные канадско-американско-английской группой исследователей данные о результатах детектирования потоков нейтрино, испускаемых из недр Солнца, позволяют с достаточно высокой степенью вероятности утверждать, что главная причина "нейтринного дефицита" - нейтринные осцилляции, или периодические превращения одного типа нейтрино в другой в процессе "путешествия" этих частиц к Земле.
По словам Арта Макдоналда, руководителя проекта SNO, "результаты наших измерений в сочетании с данными, полученными в последние годы другими международными командами исследователей, показывают, что суммарное число нейтрино, производимых Солнцем, в точности соответствует теоретическим расчетам астрофизических моделей солнечной активности". Но если с "соляристикой" все в порядке, то для другой респектабельной дисциплины - теории элементарных частиц - канадские эксперименты представляют серьезную опасность, так как из них следует, что нейтрино обладают ненулевой массой покоя, что противоречит так называемой стандартной модели - наиболее распространенному сейчас варианту описания процессов, происходящих в микромире.
Среднее сохранение энергии
Нейтрино - мельчайшая электрически нейтральная элементарная частица, проявляющая себя только в слабом взаимодействии. Сегодня физики-теоретики уверены, что в природе существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино (последнее не обнаружено до сих пор).
В результате термоядерных реакций, протекающих внутри Солнца, образуется огромное количество электронных нейтрино, интенсивность потока которых у поверхности Земли должна составлять, согласно теоретическим расчетам, около 64 млрд частиц в секунду на 1 см2. Однако результаты замеров на многочисленных нейтринных детекторах, созданных физиками за последние три десятилетия в самых экзотических местах нашей планеты (в глубинах Мирового океана, подземных шахтах и даже под толщей антарктического льда), до сих пор значительно расходились с теоретическими предсказаниями: нехватка солнечных нейтрино составляла от 30% до 50% от расчетной величины.
Озадаченные ученые предлагали различные объяснения этого феномена, но после жарких и достаточно продолжительных дискуссий в качестве основной версии было выдвинуто предположение, что по пути следования электронных нейтрино от Солнца к Земле происходит их переход прежде всего в мюонное нейтрино, которое вплоть до ввода в действие в апреле 1999 года ультрасовременной детектирующей обсерватории в Садбери практически не поддавалось обнаружению.
Гипотеза о существовании нейтрино возникла благодаря открытию в 90-х годах XIX века явления радиоактивности. На базе осмысления многочисленных экспериментов физики пришли к выводу о существовании в природе трех основных типов радиоизлучения - альфа-излучения (испускание исходным ядром альфа-частиц, ядер гелия), гамма-излучения (испускание фотонов с большими энергиями) и бета-излучения (потоки электронов, испускаемые ядрами с относительным избытком нейтронов).
Из закона сохранения энергии - основополагающего постулата физики - следует, что электроны при бета-распаде должны вылетать со строго определенной энергией, равной разности энергий начального и конечного ядер. Но во всех проводимых опытах у электронов вместо теоретически рассчитанной определенной величины наблюдался непрерывный энергетический спектр. Удрученные таким явным несоответствием эксперимента и теории физики долгое время пребывали в полной растерянности. Многие из них, в том числе один из корифеев физической науки ХХ столетия Нильс Бор, готовы были даже признать, что в микромире закон сохранения энергии в классическом варианте не работает, то есть энергия там сохраняется "только в среднем".
Сквозь Землю без препятствий
Изящный выход из создавшегося тупика нашел в 1930 году Вольфганг Паули, который предложил для спасения подмоченной репутации закона ввести в научный оборот новую гипотетическую частицу, вылетающую вместе с электронами при бета-распаде и уносящую "недостающую" энергию. Правда, высказав эту идею, Паули сразу же принялся оправдываться перед коллегами за столь сомнительный с точки зрения строгой науки трюк: "Я сделал что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного". По словам одного современника, он "с мазохистическим удовольствием" заключал даже пари, что ее существование экспериментально проверить никогда не удастся.
Первоначально Паули назвал эту неуловимую легкую частицу нейтроном, справедливо полагая, что ее заряд нейтрален. Но спустя два года Джеймс Чэдвик открыл четвертую по счету (после протона, электрона и фотона) вполне наблюдаемую элементарную частицу с нулевым зарядом, и именно она официально получила это название. Быстро сориентировавшись в новой терминологической обстановке, другой великий физик Энрико Ферми уже в июле 1932 года на V Международной конференции по электричеству в Риме предложил альтернативное имя для частицы-спасительницы закона сохранения энергии - "нейтрино" (по-итальянски - "нейтрончик") и эффектно инкорпорировал ее в свою теорию бета-распада.
Удачная "кабинетная" находка помогла физикам решить массу проблем, возникающих при описании разнообразных взаимопревращений элементарных частиц, процесс обнаружения которых с начала 30-х годов принял лавинообразный характер. Непосильной казалась только задача экспериментального подтверждения существования самих "нейтрончиков": уже в 1934 году Ханс Бете и Рудольф Пейерлс вычислили, что теоретическая вероятность взаимодействия между нейтрино и прочими видами материи чрезвычайно мала - в миллиарды раз меньше, чем, например, у электрона. Нейтрино настолько редко вступает в контакты с "нормальными" частицами, что способно насквозь пролетать Землю без всяких видимых последствий для наблюдателя.
"Стандартная модель" опять дала течь
Впрочем, приняв к сведению эти малоутешительные результаты, физики-экспериментаторы упрямо продолжали поиск, и по прошествии десятилетия им крупно повезло: оказалось, что изобретенное страшное оружие, атомная бомба, помимо прочих малоприятных для человечества свойств, обладает по крайней мере одним большим достоинством: образующиеся при делении ядер урана радиоактивные осколки способны, по теории, испускать мощные потоки нейтрино.
Фредерик Рейнес, работавший в первые послевоенные годы в Лос-Аламосской лаборатории, общаясь в 1951 году с Энрико Ферми, рассказал ему о своем проекте по созданию детектора нейтрино в непосредственной близости от ядерного полигона. Но после консультаций с Ферми и еще одним известным искателем "нейтрончиков", физиком Клайдом Коуэном, Рейнес решил пойти мирным путем, то есть соорудить детектор рядом с одним из ядерных реакторов АЭС.
Детектор был собран в начале 1953 года (Хэнфорд, штат Вашингтон), и в том же году Рейнес и Коуэн провели на нем первые измерения, но полученные результаты были недостаточно убедительными. Неудовлетворенные итогами замеров 1953 года, американские физики решили повторить эксперимент в другом месте и после трехлетней доработки детектирующей аппаратуры осуществили второй этап исследований, на этот раз в Южной Каролине (ядерный реактор Savannah River). Смена обстановки оказалась благотворной - нейтрино действительно были пойманы.
Впрочем, обнаруженные Рейнесом и Коуэном частицы были электронными нейтрино, а неугомонные физики хотели также получить доказательства реального существования и других типов, вычисленных теоретиками, - мюонного и тау-нейтрино. Эксперимент, доказавший, что мюонные нейтрино существуют, был осуществлен в 1962 году. В опыте, проведенном на протонном ускорителе в Брукхэйвене Леоном Ледерманом с сотрудниками, впервые использовались пучки нейтрино высоких энергий, полученные как побочный продукт распада заряженных пи-мезонов на мюоны. В нейтринных опытах, проведенных год спустя в знаменитом женевском ЦЕРНе, этот результат был подтвержден.
Результаты июньских экспериментов нынешнего года в подземной обсерватории Садбери (кстати говоря, сооруженной в шахте Creighton, принадлежащей гиганту мировой цветной металлургии канадской INCO) успокоили нервы астрофизикам - разработчикам моделей процессов, происходящих в солнечном ядре, но добавили головной боли физикам-теоретикам, многие годы успешно эксплуатирующим "стандартную модель". Подтверждение факта нейтринной осцилляции (превращения разных типов этой частицы друг в друга) однозначно свидетельствует о том, что нейтрино обладают ненулевой массой покоя. Теперь слово вновь за теоретиками: им предстоит серьезно напрячься, для того чтобы отремонтировать "стандартную модель", давшую очередную течь (напомним читателям, что объявленные весной 2001 года предварительные результаты экспериментов в Брукхэйвене по измерению магнитного момента мюона также существенно расходились с предсказаниями физического мейнстрима - см. "Эксперт", 2001, N7).
