Среди "особенно важных и интересных" физических проблем концаXX века академик В. Л. Гинзбург большое внимание уделил вопросам, связаннымс таинственной частицей - нейтрино (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " №№ 11, 12, 1999г.). Частица эта была открыта "на кончике пера", можно сказать, от отчаяния,чтобы спасти закон сохранения энергии (а ведь даже Нильс Бор готов былпризнать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться). Нейтринообладает столь странными свойствами, что долгое время сомневались: можноли в принципе эту частицу обнаружить? Однако не прошло и полувека, какбыли обнаружены нейтрино нескольких типов (или, как говорят физики, "ароматов")и даже возникла нейтринная астрономия.

Прежде чем начать разговор о нейтрино, следует сразу же поставить "неизбежные"вопросы. К примеру, если эта частица, как говорят, пролетает сквозь миллиардокилометровые толщи вещества (плотного урана, свинца, ртути или чего хотите), невызвав никаких изменений ни в собственном состоянии, ни в веществе, тоесть не испытав ни одного взаимодействия с веществом, то существует линейтрино или это плод фантазии теоретиков, вроде теплорода или эфира? Осязалли кто-нибудь столь бестелесную материю? Есть ли нейтрино где-нибудь воВселенной и в каком количестве? Кому (и чему) оно служит?Все эти вопросы и масса им подобных - правильны, и они требуют ответа.И мы постараемся удовлетворить и любопытствующих, и скептиков, извинившисьза то, что иногда придется уточнить смысл вопроса, упростить ответ илипривлечь аналогию. Ведь точный ответ - когда профессиональные физики егоуже имеют - содержится в довольно сложных уравнениях теории и объяснениирезультатов не менее сложных экспериментов.Чтобы не плести интриги (нейтринный сюжет и без того - лихо закрученнаяистория), начнем с ответа на самый едкий вопрос: есть ли такая частица- НЕЙТРИНО? Для физиков ответ однозначен - безусловно есть! Нейтрино вступаетво взаимодействие со всеми давно известными частицами - атомными ядрами,протонами, электронами. И хотя интенсивность этого взаимодействия крайнемала (не зря оно названо "слабым"), его результат - продукты взаимодействия- "видят" созданные для этого приборы, детекторы элементарных частиц. Болеетого, они различают несколько видов нейтрино: те, что рождаются или гибнут(поглощаются) только вместе с позитроном, - электронные нейтрино n_е,вместе с положительным мюоном - мюонное нейтрино n_m,а вместе с положительным тау-мезоном (таоном) - таонное нейтрино n_t.Существуют и три антинейтрино, спутники этих частиц. Поразительно это изобилие:ведь у нейтрино, как заметил Воланд совсем по другому поводу, "чего нихватишься - ничего нет". Нет электрического заряда, вероятней всего, нетмагнитных свойств (магнитного момента), нейтрино, похоже, стабильно (т.е. не распадается на другие элементарные частицы). Возможно, оно не обладаети массой - во всяком случае, экспериментаторы пока с достаточной надежностьюне обнаружили ее проявления. Точно установлено, что любой вид нейтринообладает собственным угловым моментом - спином. Но по величине он одинаковдля всех видов нейтрино и такой же, как у протона или любого лептона, -1/2h (постоянной Планка). Нейтрино всех видов взаимодействуют свеществом с одинаковой интенсивностью (универсально). Кажется, что всяиндивидуаль ность только в названии, обусловленном родством с заряженнымлептоном. Эти имена - электронное, мюонное, таонное - физики объединяютсловом "ароматы", словно напоминая о том, что уловить различия могут толькообладатели хорошего нюха.Тем не менее сомнений в существовании нейтрино нет. Много ли этих частиц? Все видимое (то есть излучающее фотоны) вещество Вселенной состоит изнуклонов - протонов и нейтронов. Протоны представлены ядрами водорода,а нейтроны упакованы в легкие ядра - дейтерий и гелий. Другие элементыесть в лишь в малом количестве. Вещество собрано в звезды, звезды образуютгалактики, галактики - скопления и сверхскопления галактик, расстояниямежду которыми гораздо больше их размеров. Но если все это вещество и межгалактическуюпыль равномерно размешать, как газ, по всему объему Вселенной, то на каждыйкубический метр пространства придется по одному протону. Столько же и электронов- ведь в целом наш мир электрически нейтрален.Если подсчитать, к какой электрической силе отталкивания Земли от Солнцапривел бы ничтожно малый относительный избыток положительного или отрицательногозаряда, равный хотя бы 10-15, то ответ будет таков: кулоновскаясила больше гравитационной в сто тысяч раз. Как бы выглядела Солнечнаясистема?!!Замечательное открытие реликтового излучения доказало, что Вселеннаяеще заполнена и квантами света - фотонами, число которых около 500 в каждомкубическом сантиметре Вселенной, в миллиарды раз больше, чем протонов.Мир заполнен светом!А если справедлива теория горячей Вселенной с Большим взрывом в началеэволюции, то кроме реликтовых фотонов, родившихся в первую секунду жизниВселенной и ставших свободными сто тысяч лет спустя, в каждом кубическомсантиметре пространства находятся и около 500 штук реликтовых нейтрино.Это действительно реликты, потому что достались нам от той же первой секунды.Мир не только "светел", но и "нейтринен".И, наконец, о вопросе - зачем НАМ эти частицы?Вопрос скорее мировоззренческий, но если он имеет научный смысл, тоответ давно готов. Жизнь на Земле существует за счет энергии Солнца. Солнцевырабатывает ее за счет
цепочки превращения четырех протонов (почти 2.1030кг массы Солнца - водород, т.е. протоны) в прочное ядро гелия. И перваянеобходимая реакция этой термоядерной цепочки - слияние двух протонов cобразованием ядра дейтерия - возможна только с рождением нейтрино:р + р (r) D + е+ +n.Так что вряд ли можно жить в безнейтринном мире. Кто его видел? История поимки нейтрино развивалась по классическим канонам детектива:есть "преступление" - пропала энергия (и еще кое-что), есть расследователи(очень знаменитые), есть версии (очень увлекательные), есть косвенные уликии портрет подозреваемого (почти мистический), есть, наконец, драматическаяпогоня...В конце ХIХ века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана- самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно,что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названныхa, b- и g-лучами. Наша новелла будет связана с b-излучением.В открытии А. Беккереля одновременно проявились все три вида взаимодействий,пружины микромира, определяющие его интригу: a-распад - сильное, b-распад- слабое и g-распад - электромагнитное взаимодействия. Мать-Природа, размышляяо подарке человечеству к новому столетию (почему-то она употребляет счетот Рождества Христова), была максимально щедра и подарила для умственнойработы сразу все ключи от кладовых с источниками неживого и живого вещества.За этот век физики честно отработали подарок - узнали о всех взаимодействияхочень много. Для того чтобы понять, КАК они действуют, пришлось построитьмощные ускорители и огромные детекторы элементарных частиц. Труднее всегодостаются законы слабого взаимодей ствия. Будто Природа дразнит свое высшеесоздание: "Что, слабо?"К 1930 году уже было обнаружено много ядер, способных самопроизвольнопревращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказаласьb-частица Беккереля. Тогда еще и структура ядра "не была" протонно-нейтронной(не был открыт нейтрон), и процесс b-распада в символах записывался так:Я_р(m_р )(r)Я_д(m_д)+ е-.Это означает, что процесс превращения родительского ядра Я_рс массой m_р в дочернее ядро Я_д с массойm_дсопровождается излучением электрона (хотя обычно употребляемое слово "распад"как бы подразумевает то, что дочернее ядро и электрон до распада содержалисьв родительском ядре; на самом деле ничего подобного нет: все дочерние частицыродились в процессе превращения). Физики не знали, почему распадается ядро,какие силы вынуждают к этому? Природа b-распада предоставляла поле исследования.Покоя не давал другой, казалось бы, более простой вопрос: КАК вообще (независимоот причин) природа допускает такой распад? Ведь измерение энергии вылетающихэлектронов показывало, что от распада к распаду величина этой энергии принималаразличные значения, а незыблемые законы сохранения энергии и импульса предписывалииное: сколько бы распадов ядер определенного типа (никто не сомневался,что они все одинаковые) ни наблюдать, каждый раз энергия электронов должнабыть одной и той же. Увидеть в процессе Я_р(m_р)(r)Я_д(m _д)+е- сизменяющейся от распада к распаду энергией электрона противоречие законусохранения энергии-импульса несложно. Надо лишь применить к распаду этизаконы, помня о том, что элементарные частицы подчиняются механике теорииотносительности: Полная энергия свободной движущейся частицы Е равна суммеэнергии этой частицы в покое Е₀ (по Эйнштейну, она полностьюопределяется массой частицы m и скоростью света в вакууме с:E₀ = mc2) и кинетической энергии движенияT:Е = mc2 + T.Для энергии и импульса частицы р в любой момент времени и в любойсистеме отсчета выполняется равенство Е2 - (рс)2= (mc2)2.Измеряя Е и р частицы в разных системах, мы обнаружимв системе "1" - Е₁ и р_1, в системе"2" - Е₂ и р₂, но разность квадратоввсегда будет одна и та же. Это равенство, по существу, и есть определениемассы частицы.Вспомним законы сохранения энергии и импульса: "Каким бы ни было взаимодействие,суммарная энергия всех частиц ДО столкновения (или распада) равна суммарнойэнергии всех частиц, образовавшихся ПОСЛЕ столкновения (или распада). Тоже самое справедливо для суммарного импульса" (арифметические расчеты приведенына стр. 30). Из этого закона следуют три важных вывода. Распад происходит только в том случае, если масса родительской частицыне меньше суммы масс продуктов распада. В случае "больше" продукты распадаполучат кинетическую энергию за счет энергии покоя (массы) родительскойчастицы. Суммарная кинетическая энергия двух частиц постоянна, но при распределенииэтой энергии между двумя частицами почти вся кинетическая энергия достанетсяэлектрону, который в тысячи раз легче любого из ядер. Если законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом актераспада на две частицы (для трех и более дочерних частиц это не так!),то и полные и кинетические энергии дочерних частиц не могут быть какимиугодно. Они определяются только постоянными массами, и данное положениедля нашего расследования наиболее важно. Сколько бы распадов ядер Я_рмы ни наблюдали, в каждом из них и дочернее ядро, и электрон унесут однии те же энергии. Конечно, в реальном опыте измеренные от распада к распадуэнергии электронов должны отличаться в пределах ошибки измерения, но этосовсем другой (иногда очень драматический, но другой) сюжет.Измерение электронной энергии в большом числе распадов одинаковых ядеробнаружило совсем не то, что ожидали увидеть физики. Электронный спектрb-распада (относительное число электронов с данной энергией) заполнил сплошьВСЮ область энергий от нуля до максимально возможной энергии Dmc2и выглядел как плавная кривая с максимумом вместо ожидаемого для двухчастичногораспада острого пика. Энергия электронов во всех случаях была меньше, чемпредписано законами сохранения. Теперь, если не вступать в противоре чиес логикой (а чему еще прикажете подчиняться физику?), приходилось признать,что либо над b-распадом законы сохранения не властны, либо в процессе распадаэнергия, грубо говоря, украдена. Именно украдена, потому что, если энергию,законно принадлежавшую электрону в двухчастичном распаде (еще раз напомним,что дочернее ядро не уносит заметной энергии), унесла какая-то дополнительнаячастица (или несколько частиц), она сделала это нелегально. Потому чтовсе попытки обнаружить среди продуктов b-распада следы чего-либо, кромедочернего ядра и электрона, дали отрицательный результат. В природе происходилото, что не должно происходить, если верить в строгое соблюдение законовсохранения энергии и импульса.Законы сохранения энергии и импульса были открыты на основе анализаизмерений этих величин для тел, участвующих в различных (механических,тепловых, электрических) процессах. Но теперь мы понимаем, что эти законы- всего лишь следствие более глубоких свойств симметрии пространства ивремени. В 1918 году Эмми Неттер, немецкий математик, доказала, что, есливремя однородно, энергия замкнутой системы с неизбежностью будет оставатьсянеизменной, то есть и миллиарды лет назад, и сейчас, и в будущем интенсивностивзаимодействия не меняются: например, два заряда всегда отталкиваются содинаковой силой. Импульс системы неизбежно сохраняется постоянным, еслиоднородно пространство, то есть интенсивность взаимодействия не зависитот того, где находится система: и в Солнечной системе, и в окрестностиБетельгейзе созвездия Ориона притяжение двух тел определяется одной и тойже гравитационной постоянной. Более того, из теоремы Неттер следует, чтовсякой симметрии (равноправию) в уравнениях, описывающих взаимодействие,обязательно соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина.Не так ли и в обществе людей: в равноправных (демократических) обществахсуществуют незыблемые законы, сохраняющие ценности общежития, а в недемократических- что позволено одним, то порой запрещено другим.Правда, оставалась надежда уладить проблему непрерывного спектра и бездетективщины. Ведь каждому известно, что пропавшая вещь необязательно украдена.Вот и электрон мог при рассеянии на веществе просто потерять всю или долюприобретенной в распаде энергии по дороге к прибору, который ее измеряет.Проверка версии "рассеянного электрона" быстро установила, что, к сожалению,никакого алиби для b-распада нет и версия "потери" отпадает. Конечно, кое-какиепотери энергии есть, но не такие значительные, чтобы превратить "иглообразныйпик" в "широкий холм".В наблюдаемой картине b-распада была и вторая большая неприятность -с законом сохранения углового момента. Например, в b-распаде 14С(r)14N+e-собственные угловые моменты - спины родительского и дочернего ядер равнынулю, а спин электрона равен 1/ Как ни складывай (а складывать моментынадо умело - ведь это квантовые векторы), - 1/2 оказывается лишней.Расследование по "делу о b-распаде" вели знаменитейшие физики, и направлениепоисков определялось их мировоззрением, то есть представлением о том, какустроен мир. Великий Нильс Бор наилучший выход видел в признании за микромиромправа нарушать законы сохранения энергии и импульса в каждом отдельномакте столкновения или распада элементарных частиц. При этом он полагал,что известные для механики макромира законы сохранения устанавлива ютсятолько в результате суммирования импульсов и энергий по огромному числуэлементарных процессов в макроскопическом объекте.Много было и других смелых идей, но единственно правильную выдвинулшвейцарец Вольфганг Паули.В конце 1930 года на конференции физиков в Тюбингенском университетеогласили письмо Паули от 4 декабря. Оно было адресовано Гансу Гейгеру иЛизе Мейтнер, но предназначено для всех участников:"Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу Вас выслушать со вниманиемв наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажетВам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики.Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц...Непрерывность b-спектра станет понятной, если предположить, что при b-распадевместе с каждым электроном испускается такой "нейтрон", причем сумма энергий"нейтрона" и электрона постоянна..."Письмо заканчивалось так:"Не рисковать - не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывногоb-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мнес сожалением: "Ох, лучше не думать обо всем этом... как о новых налогах".Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый (подчеркнутомной. - В. Н. ) путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ,подвергните это испытанию и судите".Может быть, приведенный здесь текст письма и недостаточно точен из-задвойного (немецко-англо-русского) перевода. Но за шутливым словесным нарядоммы безошибочно различаем тревожный звук, ощущаем какую-то драму: "... исудите". Казалось бы, найдена прекрасная идея. Впору на весь ученый мирпобедно повторить знаменитое архимедово - "Эврика!" Но Паули чувствует,что, оберегая один важнейший принцип, он нарушает другой: "Entia non suntmultiplicianda praeter necessitatem" ("Сущности не следует умножать безнеобходимости" - эта философская максима сформулирована в XIV веке УильямомОккамом). Бритва Оккама - инструмент нравственного запрета, и подать примерего нарушения означало бы открыть дорогу околонаучным шакалам, которым"все дозволено". Известно, что Паули с горечью (уже не шуточной) говорилпосле оглашения своей идеи: "Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретикуникогда не следует делать ничего подобного. Я предложил нечто, что никогдане будет проверено экспериментально".Только в 1933 году Паули подвел итог своим размышлениям. 22 октябряна самом представительном собрании физиков всего мира - Сольвеевском конгрессеон говорил: "...Я предложил следующую интерпретацию b-распада: законы сохраненияимеют силу; эмиссия b-частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайнопроникающих нейтральных частиц, которые еще не наблюдались... Естественно,мы предполагаем не только сохранение энергии, но и сохранение импульсаи углового момента... во всех элементарных процессах". (В основе мировоззренияи физической интуиции Вольфганга Паули лежит вера в безусловное действиезаконов сохранения в каждом элементарном акте. Для гениальной интуицииНильса Бора - создателя квантовой механики - "роднее" оказалась возможностьнарушения этих законов.)Между 1930 и 1933 годами в науке о b-распаде произошли важнейшие события.В 1942 году Джеймс Чэдвик экспериментально открыл "настоящий" нейтрон.Почти сразу же была выдвинута (Дмитрием Иваненко), развита (Вернером Гейзенбергом)и стала общепризнан ной теория протон-нейтронной структуры ядра. Теперь,следуя гипотезе Паули, процесс ядерного b-распада можно представить какраспад одного из нейтронов ядра (если, конечно, масса ядра достаточна)на три частицы:n(r)p + e- + n.Такой распад свободного нейтрона обязан происходить и происходит, посколькуне запрещен никакими известными законами сохранения: сохраняется электрическийзаряд, сохраняются энергия и импульс (спектр электронов для трехчастичногораспада нейтрона удивительно похож на известный из эксперимента), сохраняетсяи угловой момент, так как из трех векторных спинов дочерних частиц, равных1/2, можно "сложить" 1/2 для родительского нейтрона.Паули достаточно ясно представил коллегам и портрет неуловимого похитителяэнергии. В сольвеевском докладе он говорил: "Что касается свойств этихнейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массынейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Длятого чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя"нейтрино" ("нейтрончик". - В. Н .). Возможно, присущая нейтриномасса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростьюсвета. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть многобольше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым,что нейтрино обладает спином 1/2..., хотя эксперимент и не дает прямыхдоказательств этой гипотезы Можно ли добыть прямые доказательства? Паули представил внушительную папку с косвенными доказательствами длятрехчастичной версии сценария b-распада с участием невидимого нейтрино.Энрико Ферми был настолько убежден в реальности своего "крестника", чтов 1934 году опубликовал теорию b-распада - первую замечательную модельслабых взаимодействий. Эта теория позволяла вычислить вероятность взаимодействиянейтрино с протоном. Как и ожидал Паули, эта вероятность оказалась невероятномала. Чтобы представить себе эту малость, лучше всего воспользо ватьсяформулами.Возьмем пучок нейтрино и направим его на большую мишень, которая обычносодержит приблизительно 1023 ядер (маленьких мишенек) в кубическомсантиметре. Ядра имеют
радиус около 10-12 см и, следовательно, площадь поперечногосечения около 10-24 см Общая площадь всех ядерсоставит около 0,1 см Значит, если собрать все мишеньки наодну плоскость размером 1 см2, они займут одну десятую частьее площади.Если в привычном нам мире пуля попадет в стеклянный шарик, можно несомневаться, что от него останутся осколки. Будь налетающие на мишень нейтриноклассическими пулями, а ядра-мишеньки стеклянными шариками, вероятностьразбить одно из ядер (или отскочить от слишком "твердого ядра") была бы1/1 Для взаимодействия элементарных частиц предписаны квантовые вероятностныезаконы: частица может "проскочить сквозь" частицу без последствий. Но физикидля характеристики вероятности рассеяния или поглощения элементарных частицприняли по аналогии со светом модель "черной" мишеньки: черная мишень светпоглощает полностью, серая - частично. Реальную серую мишень можно представитьсебе как прозрачную, но с черным кружком такой площади, чтобы общее поглощениепучка было таким же, как у серой. Площадь черной мишени называют эффективнойплощадью мишени реальной.Теперь посчитаем вероятность взаимодействия.Пусть пучок, содержащий N₀ частиц (например, нашихнейтрино), налетает на мишень с плотностью n ядер на 1 см3и длиной вдоль направления пучка L см. Предположим, что Nчастиц из пучка испытают взаимодействие в мишени. Формулу для Nлегко получить, зная характеристику интенсивности взаимодействия налетающейчастицы с ядрами мишени и начала дифференциального исчисления (для начинающихфизиков лучше всего подойдет книга академика Я. Б. Зельдовича "Высшая математикадля начинающих"):N = N₀(1 _ e-snL).При значении snL<<1 (а для взаимодействия нейтрино с веществомэто всегда так, кроме вещества в сверхплотном состоянии, например нейтронныхзвезд) формула становится совсем простой: N=N₀snL.Отношение числа провзаимодействовавших частиц к числу падающих на мишеньчастиц есть вероятность взаимодействия w= snL.Символом s обозначают величину, называемую "эффективное сечение взаимодействия"и характеризующую интенсивность этого взаимодействия. Она измеряется вквадратных сантиметрах, как площадь. Это и есть та самая эффективная площадь,которая составляет лишь долю от геометрического размера ядра. (Заметим,что величина sn есть полное эффективное сечение, приходящееся наодин сантиметр длины мишени, а nL - на всю длину.)Каково же эффективное сечение s по сравнению с геометрическим? Вот тут-тово всю силу дает о себе знать интенсивность различных взаимодействий: длясильного (например, для рассеяния протона на протоне или нейтроне) - sпо порядку величины приблизительно соответствует геометрическому сечению,то есть составляет около 10-24 см А для слабоговзаимодействия s " 10-43 см2! Если перевести этов эффективный радиус "черного кружка", то получится величина в миллиардраз меньшая геометрического радиуса ядра.Какова же должна быть длина мишени, чтобы нейтрино поглотилось в нейс вероятностью, близкой к единице? Подставив числа в формулу для вероятности(для свинца n " 1022 ядер/см3), получим L"1022 cм = = 1015 км.С какой подходящей длиной ее можно сравнить? Расстояние от Земли доСолнца 150 000 000 (108) км явно мало. Подойдет длина пути отСолнца до центра нашей Галактики - около 1016 км. Вооружившисьформулой для вероятности, можно вычислить интенсивность пучка N₀,которая потребуется экспериментатору, чтобы поставить опыт по поимке хотябы одного нейтрино. Для детектора длиной около 100 м (соорудить в земнойлаборатории нечто большее трудно) получим N₀ " 1018.Это число можно уменьшить, если увеличить площадь детектора и пучка до"разумной" величины - 10 м Но и тогда потребуется нейтринныйисточник огромной силы - 101 А ведь для надежного результатанадо поймать хотя бы несколько сотен частиц.Именно эту трудность как непреодолимую представлял себе чистый теоретикПаули, когда заключил пари на бутылку шампанского со своим приятелем, известнымастрономом В. Бааде, утверждая, что "при нашей жизни нейтрино не будетэкспериментально наблюдено". Интенсивность накопленных источников b-распада,которые могли бы давать пучки нейтрино, была в миллиарды раз меньше требуемой.(Окончание следует.) Доктор физико-математических наук В. Нозик. Подробности для любознательных ПРОВЕДЕМ РАСЧЕТ