На березі нейтринного моря – частка нейтрино

Нейтрино все частіше вривається в наше життя потоком наукових повідомлень і суперечок, проектами нових експериментів, які вражають уяву грандіозними масштабами і значною вартістю. Ціла армія вчених у всьому світі з небаченою завзятістю шукає зустрічі з цією практично невловимою часткою. І не дивно — нейтрино володіє ключами від багатьох таємниць природи.

У чому секрет вражаючої нетовариськості нейтрино? Воно не піддається ні електромагнітним, ні потужним ядерним силам. Фізики поставили діагноз: нейтрино — носій нового дуже слабкого типу взаємодії. Але поставити діагноз – ще не означає пізнати природу явища.

Відкриття

Відкриття нейтрино було пов’язано з упевненістю дослідників у справедливості фундаментальних законів фізики, законів збереження. На самому початку XX століття при вивченні бета-розпаду радіоактивних ядер фізики, як скрупульозні бухгалтери, намагалися звести баланс енергії. Але він ніяк не сходився: частина енергії зникала невідомо куди. Таким чином, під загрозою опинився один з фундаментальних законів фізики — закон збереження енергії.

Врятував становище швейцарський фізик Вольфганг Паулі, в 1930 році він висловив припущення, що при бета-розпаді разом з електроном народжується якась частинка-невидимка, яка і забирає відсутню частину енергії. Непоміченою ця частка залишається тому, що не має маси спокою і електричного заряду і не здатна відривати електрони від атома або розщеплювати ядра, іншими словами, не може виробляти ті ефекти, за якими зазвичай судять про появу частинки. До того ж вона дуже слабко взаємодіє з речовиною, а тому може пройти через велику товщу речовини, не виявляючи себе. Цією частинкою і виявилося наше нейтрино.

Ледве встигли виявити нейтрино, як воно завдало сильного удару всій будівлі фізики. Американські вчені Т. Д. Лі і Ц. Н. Янг відкрили порушення одного з фундаментальних законів мікросвіту. Виявилося, що нейтрино, як зачарована красуня, ніколи не може побачити себе в дзеркалі. Зміна координат на протилежні (саме так «діє» дзеркало) відіграє кримінальну роль в його житті. Воно перетворюється в античастинку. У дзеркалі ми побачимо вже антинейтрино. І всі процеси, в яких бере участь нейтрино, несуть на собі відбиток її незвичайної долі.

Загадка космічних злив

Не так давно з’ясувалося, що нейтрино не дотримується правил поведінки, обов’язкових для інших частинок. Відомо, що чим більшу енергію має, наприклад, протон, тим більше неохоче вступає він в контакт з навколишньою речовиною. А нейтрино — навпаки. Вони стають все більш товариськими. Така зміна «характеру» нейтрино впливає насамперед на його проникаючу здатність. Якщо енергія нейтрино дуже велика, то для нього серйозною перешкодою може стати навіть атмосфера Землі!

Ця незвичайна властивість нейтрино навело вчених на одну цікаву думку. В останні роки було виявлено кілька загадкових широких злив елементарних частинок, що виникають в атмосфері. Якщо скласти енергії всіх частинок такої зливи, то вийде дуже велика величина. Фізики припускають, що ці широкі зливи могли бути створені нейтрино, що володіє такою величезною енергією. Воно прилітає з далекого космосу і застряє в земній атмосфері, породжуючи гігантські потоки елементарних частинок.

Втім, поки що зареєстровано лише близько десяти злив, тому смілива гіпотеза потребує підтвердження.

Посланці Сонця

Сонце не тільки зігріває і освітлює Землю, але і безперервно опромінює її потоками нейтрино. Сто мільярдів сонячних нейтрино в секунду падає на кожен квадратний сантиметр поверхні нашої планети. Вони виникають в центрі Сонця, у вируючому ядерному котлі, де водень перетворюється в гелій. Нейтрино — побічний продукт цієї реакції. Народившись, вони негайно розлітаються на всі боки, легко долаючи масу сонячної речовини.

Як би довго ви не дивилися на поверхню супу, ні за що не здогадаєтеся, густий він чи рідкий. Щоб дізнатися це, треба помішати суп ложкою. Не маючи градусника, неможливо точно визначити і його температуру. Нейтрино могли б стати і ложкою і термометром для визначення властивостей глибинних шарів Сонця. Тільки вони приходять на Землю, так би мовити, в первозданному вигляді. Світло — електромагнітні хвилі, які разом з нейтрино виникають в центрі нашого світила, втрачають отриману при народженні інформацію в боротьбі з сонячною речовиною. Адже світлу незмірно важче, ніж нейтрино, пробитися на поверхню. Стикаючись по дорозі з різними частинками, первинні фотони породжують інші, вже з меншою енергією. Ті, в свою чергу, вступають в нерівну боротьбу з речовиною, передаючи естафету наступному поколінню. До поверхні Сонця через мільйони років, нарешті, добираються вже далекі нащадки перших фотонів, які нічого не пам’ятають про своє походження. Намагатися по них судити про процеси, що протікають в сонячному ядрі, — все одно, що гадати на кавовій гущі. Водночас необхідна вченим інформація у вигляді сонячних нейтрино буквально “носиться в повітрі”.

Нейтринний маскарад

Астрономічні телескопи намагаються підняти якомога вище над Землею, щоб атмосфера не заважала розглянути Сонце. «Побачити» його за допомогою нейтрино можна, лише забравшись глибше під землю, де фон від космічного випромінювання досить малий. «Нейтринний телескоп», який був використаний для пошуків сонячних нейтрино, влаштований дуже просто. Це величезний резервуар — більше п’ятисот тонн рідини, що містить хлор і зазвичай використовується для чищення одягу. Зіткнувшись з ядрами атомів хлору, нейтрино перетворює їх в радіоактивні ядра атомів аргону, число яких легко підрахувати за допомогою звичайного лічильника елементарних частинок. Можна «виловити» навіть кілька атомів аргону з усієї величезної маси рідини, що знаходиться в резервуарі.

Природно, що чим довше буде опромінюватися бак з рідиною, тим більше накопичиться в ньому таких нейтринних слідів. Три місяці нейтринний телескоп не спускав ока з Сонця, причому спостереження велося цілодобово: у нейтринних променях вночі його видно так само добре, як і вдень.

Але все було марно. Після опромінення не вдалося виявити жодного атома аргону в рідині. Потік сонячних нейтрино виявився, принаймні в десять разів менше розрахункового…

Фізиків це не збентежило. «Розрахунки очікуваного числа нейтрино, – кажуть одні, – і не могли претендувати на абсолютну безперечність, так як грунтувалися на вельми непрямих даних». З іншого боку, можна припустити, як це робить академік Б. М. Понтекорво, що причина невдачі досліду лежить в незвичайних властивостях самого нейтрино.

Типи

Нейтрино не самотні на білому світі. Існує два типи таких частинок — електронні нейтрино, що вилітають разом з електронами при радіоактивному розпаді ядер, та мюоні, що виникають в парі з мю-мезоном при розпаді більш важкої нестабільної частинки. Їх прикмети абсолютно однакові. Але, як і дуже схожі близнюки, вони відрізняються один від одного своєю поведінкою: беруть участь в різних ядерних реакціях.

Не виключено, що вільні електронні нейтрино не завжди залишаються електронними, а мюоні — мюоними. Можливо, що у вакуумі електронні нейтрино мимовільно перетворюються в мюоні і навпаки.

Що ж виходить? В реакцію з хлором можуть вступати тільки електронні нейтрино. Саме такі частинки і випускає сонячний ядерний котел. Але якщо по дорозі на Землю електронні нейтрино встигають частково перетворитися в мюоні, то спійманих невидимок буде значно менше, ніж їх є насправді.

Може бути, нейтринний маскарад — і є причина нинішньої невдачі в полюванні за сонячними нейтрино. Перша спроба не вдалася. Зараз йде переозброєння. Експериментатори готуються до нової зустрічі з посланцями Сонця.

Нейтринне цунамі

Багато цікавого “знають” нейтрино, що обрушуються на Землю з далекого космосу. Вони доносять до нас потужний подих величезних гарячих зірок. Енергія теплового випромінювання цих зірок настільки велика, що в їх надрах постійно виникають пари легких частинок — електронів та позитронів. Стикаючись один з одним, вони знову перетворюються у фотони теплового випромінювання. Здавалося б, ця гра, в якій фотони і електрон-позитронні пари, як м’яч, перекидають один одному енергію, може тривати нескінченно довго.

Але ні. Як тільки температура зірки досягає сотні мільйонів градусів, в житті зірки настає драматичний перелом. При такій температурі деякі електрон-позитронні пари перетворюються не в фотони, а в пару нейтрино-антинейтрино. Ці частинки вже ніколи не зіткнуться одна з одною. Замінивши в грі електрон-позитронних партнерів, вони не передають м’яч — енергію, а як пустотливі хлопчаки, порушуючи всі правила, забирають його (точніше, її) з собою.

Ця енергія втрачена для зірки назавжди. І чим вище її температура, тим більше нейтрино вона випускає. Вони грають роль вікна, розкритого на вулицю зі жарко натопленої кімнати. Щоб кімната не охолола, в піч треба підкладати все більше дров. Так і зірка починає все інтенсивніше витрачати своє термоядерне паливо. Як і температура печі в кімнаті, підвищується температура її надр, а разом з нею збільшується і число нейтрино, що випускаються. В останні століття свого життя зірки, мабуть, в основному втрачають енергію у вигляді нейтрино, а не світла.

Ці частинки так швидко розкрадають енергетичні запаси зірки, що настає момент, коли їй вже нічим заповнити цей спад. Пальне зірки — водень повністю «вигорів». Але зірка не остигає. Як організм людини з’їдає сам себе при голодуванні, так і зірка, мабуть, починає витрачати гравітаційну енергію своєї маси.

Починається катастрофічно швидке стиснення зірки — колапс. Інтенсивність нейтринного потоку неймовірно зростає. Протягом сотих часток секунди зірка “видихає” більше нейтрино, ніж було випущено нею за все життя. За сучасними уявленнями так закінчують свою еволюцію всі зірки з масою більшою, ніж у Сонця.

Іноді під час колапсу від зірки відділяється невелика частина, яка з величезною швидкістю розширюється. Астрономи спостерігають світіння цієї хмари – так званий спалах наднової. Можливо, що інші зірки колапсують спокійно, обходячись без феєрверку.

Якщо спалах наднової відбудеться в центрі нашої Галактики, то потужна нейтринна хвиля досягне і нашої планети. За оцінками, зробленими вченими, її можна буде зареєструвати в лічильнику, що містить кілька сотень тонн рідини. Якщо кілька таких нейтринних лічильників розташувати в різних місцях земної кулі, то з послідовності зареєстрованих ними нейтринних сигналів можна буде визначити, звідки прийшла нейтринна хвиля.

Спалахи наднових – досить рідкісне явище: приблизно, одна наднова за 300 років в нашій Галактиці. Але якщо вірне припущення про механізм «тихого» колапсу, то нейтринне цунамі повинно виливатися на Землю набагато частіше — майже раз у місяць! Якщо коли-небудь вдасться зареєструвати їх, то ми отримаємо можливість, не покидаючи Землі, дізнатися про цікавий період в житті зірок.

Космічні лінзи

Гравітаційному тяжінню підвладне все, що має масу. Нейтрино не становлять винятку. Хоча маса нейтрино, точніше, маса спокою цієї частинки, як і маса спокою фотона дорівнює нулю, в русі вона набуває інерційну масу.

Тому, якщо потік нейтрино від якої-небудь зірки зустріне на своєму шляху іншу зірку або планету, то з ним станеться те ж саме, що і з паралельним пучком світла, що падає на оптичну лінзу. Гравітаційне поле космічного тіла, наприклад, зірки, сфокусує нейтринний потік на певній відстані від свого центру. Ця нейтринна фокусна відстань залежить тільки від радіусу і щільності зірки.

Сонце теж може грати роль такої гравітаційної лінзи. Воно фокусує нейтринне зображення зірки у точці, віддаленій на сто мільярдів кілометрів від свого центру, тобто на відстані, в двадцять разів більше радіусу орбіти самої віддаленої планети сонячної системи — Плутона. Лінза-Земля, обертаючись навколо Сонця, теж безперервно фокусує сонячні нейтрино. Нейтринне зображення Сонця слідом за рухом нашої планети переміщається в просторі на відстані в тисячу мільярдів кілометрів від її центру.

Прозорість гравітаційних лінз краще, ніж у звичайних оптичних: адже світло частково поглинається лінзами, а потік нейтрино проходить через зірку практично без втрат. Зірка-лінза не викликає і розкиду частинок, дисперсію. Нейтрино будь-яких енергій фокусуються абсолютно однаковим чином.

Вчений В. Лапідес припускає, що, використовуючи фокусуючі властивості масивних космічних тіл, можна було б побудувати нейтринний телескоп для пошуків джерел нейтринного випромінювання. Уявімо собі, що дуже великий космічний корабель з добре захищеним від космічних променів нейтринним детектором на борту виведений на навколосонячну орбіту з радіусом, рівним нейтринній фокусній відстані нашого світила. Якщо корабель рухається по поверхні сфери такого радіуса, то можна «промацувати» ділянки простору, розташовані за Сонцем. Як тільки на лінії, що з’єднує космічний корабель з центром Сонця, виявиться зірка, що випускає нейтрино, детектор на космічному кораблі зареєструє різке збільшення потоку нейтрино.

Для такої мети цілком підійшов би космічний корабель, рухомий вибухами водневих бомб, над проектом якого працював фізик-теоретик Ф. Дайсон. Він вважає, що корабель вантажопідйомністю в десятки і сотні тисяч тонн може бути побудований вже на основі сучасного рівня науки і техніки.

Ровесники Всесвіту

Ми не знаємо, що відбувається на Сонці в цю мить. Тільки через вісім хвилин світлові промені або сонячні нейтрино повідомлять нам, що Сонце працює нормально…

Останній крик колапсуючої десь на краю Галактики зірки дійде до нас через багато тисяч років потужним сплеском нейтринної хвилі або судомою гравітаційного поля. Але який не довгий шлях цих вісників далеких подій, ми впізнаємо голос знайомого нам Всесвіту. А чи таким він був мільярди років тому?

Якщо праві вчені, то 10-15 мільярдів років тому Всесвіт зовсім не був схожий на те, що ми зараз маємо на увазі під цим словом. Тоді ще не було зірок, не було Галактики. Існувала лише надщільна розпечена матерія, що складається з окремих елементарних частинок, змішаних з випромінюванням.

Як це не фантастично, але, мабуть, досі живі свідки, які бачили такий Всесвіт. На одній з ранніх стадій його розвитку, в так звану «лептонну еру», основну роль повинні були грати легкі частинки – лептони (мюоны, електрони і позитрони, нейтрино та антинейтрино). Потім нейтрино відірвалися від решти Всесвіту, повели незалежний спосіб життя і понині поневіряються в його просторах. Багато чого змінилося з тих пір у Всесвіті. Але нейтрино – його ровесники – ще пам’ятають про те, чого були свідками.

Вже виявлено реліктове космічне теплове випромінювання, яке, як і нейтрино, виникло на ранній стадії еволюції Всесвіту. Якби вдалося знайти реліктові нейтрино, то це дозволило б остаточно вирішити питання про “гарячий клімат”, що панував у Всесвіті у перші секунди та хвилини його існування.

Але надії зустрітися з реліктовими нейтрино поки невеликі. Енергія їх так мала, що ще невідомі досить надійні методи, щоб зуміти їх зареєструвати. І все-таки, як вважає академік Я. Б. Зельдович, «…пошуки реліктових нейтрино, якими б складними вони не виявилися, надзвичайно важливі…»

Автор: В. Черногорова.