Шаг к массе покоя
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Есть ли конечная масса покоя у нейтрино или же она равна нулю? Эта проблема сейчас волнует не только специалистов по физике, но и астрономов и философов. Знания о массе нейтрино помогут в решении фундаментальной проблемы: было ли начало и будет ли конец у Вселенной. Если вездесущее нейтрино имеет массу, не равную нулю, то средняя плотность вещества во Вселенной окажется во многие миллионы раз больше, чем принято считать сегодня. А ведь именно эта величина определяет, хватит ли силы гравитации, чтобы остановить процесс расширения Вселенной, или же ей предстоит расширяться вечно.
Возможно, измерив массу нейтрино, ученые остановятся на модели осциллирующей Вселенной, в которой периоды расширения сменяются периодами сжатия и которая может существовать вечно, — тогда, естественно, вопрос о начале и конце Вселенной вообще не возникнет.
Теоретики, которые еще сравнительно недавно высказывали предположение, что масса нейтрино измеряется сотнями электрон-вольт (это в тысячи раз меньше массы электрона), сейчас склоняются к тому, что нейтрино имеет (если имеет) массу покоя не больше чем 40-50 электрон-вольт.
Для того чтобы измерить массу нейтрино, экспериментаторам приходится преодолевать необычайные трудности; нейтрино не зря называют всепроникающей частицей — вероятность ее взаимодействия с веществом крайне мала. Проблема массы нейтрино обсуждается экспериментаторами уже несколько десятилетий, до сих пор лучшим — вернее, пока единственным — способом измерения ее принято считать исследование энергетического спектра бета-распада трития (тритий — это сверхтяжелый водород, его ядро содержит два нейтрона и один протон).
Ядро трития радиоактивно, распадаясь, оно превращается в дочернее ядро гелия-3, при этом испускается электрон и антинейтрино. Заметим сразу, что масса антинейтрино равна массе нейтрино, а ядро гелия-3 отличается от ядра трития тем, что в нем два протона и один нейтрон. Вылетающие при бета-распаде трития электроны могут иметь самую разную энергию, как говорят специалисты, у них есть непрерывный энергетический спектр. Значит, нужно точно знать разницу в массе начального и конечного продуктов — разницу между массой трития и массой гелия-3 и энергию электрона.
Первые такие измерения были проделаны на масс-спектрометрах еще в 1975 году, и разница оказалась 18 000 электрон вольт. В течение последующих десятилетий измерения разности масс трития и гелия проводили неоднократно, и исследователи получали разные значения: 18 588+7, 18 573+4 и 18 584+3 электрон-вольт. Это довольно большой разброс в данных, его нельзя было считать удовлетворительным, тем более что масса самого нейтрино может быть равна нескольким электрон-вольтам, то есть соизмерима с ошибкой эксперимента.
И вот ученые предложили новую методику для измерения разности масс трития и гелия. Эстонские физики получили для разности масс тритий-гелий величину 18 599+1 электрон-вольт. Такая высокая точность уже может оказаться достаточной для определения массы нейтрино. Но чтобы дать окончательный ответ на вопрос, есть ли масса покоя у нейтрино, остается еще очень трудный этап — экспериментаторам нужно точно измерить энергию тех мало-энергичных электронов, которые вылетают при бета-распаде вместе с нейтрино.