Супероткрытие, которое может оказаться ошибкой

Сообщения о свойствах элементарных частиц иногда (правда, очень редко) порождают подлинные сенсации. Именно такой эффект возымел обнародованный 23 сентября пресс-релиз ЦЕРН, посвященный новым результатам интернациональной исследовательской группы OPERA. Ее участники пытаются обнаружить переход нейтрино, которые рождаются при распаде мюонов, в другую их разновидность, связанную с тау-лептонами. В прошлом году они объявили о регистрации первого кандидата на роль такой реакции, что не вызвало никакого особого шума. Однако в ходе эксперимента они накопили информацию, которая позволила предположить, что мюонные нейтрино движутся чуть-чуть быстрее света. Это была заявка на супероткрытие, которая произвела великий шум и смятение в умах. Тем не менее, абсолютное большинство специалистов, включая плеяду нобелевских лауреатов, отнеслось к ней с изрядной долей скепсиса. Пока доминирует мнение, что где-то допущена ошибка, поиск которой может занять и недели, и месяцы.

Будут проведены и контрольные эксперименты — как самой группой OPERA, так и другими нейтринщиками. Более того, первые результаты двух таких тестов уже опубликованы. 17 ноября коллаборация OPERA сообщила, что нейтринные импульсы длительностью всего в 3 наносекунды пролетают дистанция в 733 километра от окрестностей Женевы до детектора в итальянской лаборатории Гран Сассо практически с таким же опережением скорости света, что и импульсы протяженностью в 10 с половиной микросекунд, которые применялись в предшествующих экспериментах. А всего через два дня другая команда физиков выступила с решительным опровержением выводов своих коллег. Эта группа, коллаборация ICARUS, располагает в Гран Сассо собственным детектором, который действует на иных принципах, нежели детектор OPERA, но тоже регистрирует нейтрино, приходящие от церновского укорителя. Ее участники провели анализ своих данных, полученных в течение 2010 года, и решительно заключили, что нейтрино не опережают свет. Теория утверждает, что сверхсветовые нейтрино должны быстро терять энергию за счет испускания гамма-квантов и электронно-позитронных пар. Как показывают вычисления, если бы скорость нейтрино соответствовала выводам группы OPERA, они бы по пути до Гран Сассо лишались свыше 60% первоначальной энергии. Ничего такого группа ICARUS не обнаружила.

У нейтрино и раньше подозревали способность двигаться со сверхсветовой скоростью. Эта гипотеза была впервые высказана еще в 1980 году и никогда не была убедительно опровергнута. Более того, физики-теоретики спорят о сверхсветовых частицах уже более полувека, для них даже придумано специальное название — тахионы. Строгих доказательств их невозможности не придумано, однако все же их существование считается очень маловероятным. В общем, доминирует мнение, что стабильные частицы тахионами быть не могут — нейтрино же совершенно стабильны. Кроме того, есть все основания считать, что тахионы взаимодействовали бы с обычными, досветовыми частицами очень экзотическим образом, чего опять-таки пока не обнаружено. Так что надо подождать новой информации.

Нейтрино пришло в науку весьма необычно. Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих при бета-распаде нестабильных ядер. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада должен был генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые тоже не сохранялись.

В принципе, эти аномалии можно было объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули. В качестве "крайнего средства" (его собственные слова) он допустил, что внутри ядра скрываются незаряженные легкие частицы с таким же спином, что и электроны, которые уносят остаток потерянной ядром энергии и углового момента.

Эта гипотеза оказалась исключительно плодотворной. В 1933-34 годах Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми окрестил нейтрино. При этом он по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю, откуда следует, что оно всегда движется со скоростью света. Теория Ферми описала и другой тип бета-распада, при котором возникают ядра с уменьшенным на единицу атомным номером. Она объясняет этот распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование. Поскольку позитрон — античастица электрона, естественно предположить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Есть серьезные причины, что при электронном бета-распаде возникают антинейтрино, а при позитронном — нейтрино.

Нейтрино почти не взаимодействуют с обычным веществом и потому обладают феноменальной проникающей способностью. Ганс Бете и Рудольф Пайерлс в том же 1934 году с помощью теории Ферми вычислили, что нейтрино с энергиями в несколько миллионов электронвольт могут беспрепятственно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет! Из-за этого существование нейтрино было подтверждено в эксперименте лишь в середине 1950-х годов.

А потом последовали неожиданности. Поначалу физики полагали, что все нейтрино одинаковы. Но в конце 50-х годов теоретики из СССР, США и Японии предположили, что нейтрино, сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют электронам и позитронам. Так возникла быстро подтвержденная гипотеза нового, мюонного нейтрино (естественно, и антинейтрино). Позднее теоретики поняли, а экспериментаторы в 2000 году доказали, что и самый массивный аналог электрона, тау-частица, обладает собственным нейтрино. Так что ныне физика имеет дело с нейтрино трех видов.

Они ведут себя весьма необычно. Электрон, мюон и тау-частица ни при каких условиях не могут превратиться друг в друга. А вот нейтрино это по силам. Так, электронные нейтрино, которые рождаются в термоядерных реакциях в солнечном ядре, по пути к Земле на треть замещаются мюонными нейтрино, а еще на треть — тау-нейтрино. Такие переходы зовутся нейтринными осцилляциями; скорее всего, их претерпевают и другие разновидности нейтрино. Напомню, что основной целью эксперимента OPERA как раз и является поиск осцилляций между мюонными и тау-нейтрино.

Наличие осцилляций имеет фундаментальное значение. Они возможны лишь в том случае, если нейтрино обладают ненулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; скорее всего, она составляет малые доли электрон-вольта (то есть, как минимум, в миллионы раз меньше массы электрона). Однако сам факт, что она все-таки существует, представляет загадку, которую пока не удалось разрешить.

Для начала отмечу, что нейтринная масса несколько необычна. Масса электрона — вполне определенное число, которое измерено с очень высокой точностью. А вот масса электронного (или любого другого) нейтрино определенного значения не имеет! Каждое такое нейтрино при рождении оказывается квантовой смесью нейтринных состояний с определенными массами. Верно и обратное: если нейтрино пребывает в состоянии, которому можно приписать конкретную массу, оно оказывается подобной же смесью нейтрино различных типов. Правда, это свойство не уникально (так же ведут себя и некоторые другие частицы, например, нейтральные К-мезоны, которые тоже умеют осциллировать между различными состояниями), но все же оно кажется парадоксальным. Впрочем, в микромире есть странности и похлеще.

Но главное не в этом. Физики уже почти сорок лет располагают теорией, которая объясняет почти все известные свойства элементарных частиц. В том, что касается нейтрино, эта теория, так называемая Стандартная модель, обобщает идеи Ферми и тоже утверждает, что эти частицы не имеют массы. Эксперимент, однако, показал, что безмассовых нейтрино в природе не существует. Почему именно, пока никто толком не знает.

Однако пробные объяснения имеются. У всех нейтрино, которые удается наблюдать в эксперименте, спин направлен противоположно импульсу (грубо говоря, скорости). По историческим причинам такие частицы называются левовинтовыми. Спин антинейтрино неизменно смотрит в сторону импульса — это правовинтовые частицы. Правовинтовых нейтрино и левовинтовых антинейтрино еще никто никогда не наблюдал, и, с точки зрения Стандартной модели, их и быть не должно. Однако у этой теории есть расширения, которые позволяют нейтрино делаться "правшами". Более того, вычисления показывают, что эти "правши" много массивней "левшей". А отсюда следует, что массы обычных, левовинтовых нейтрино должны быть очень малыми, но все же не нулевыми. За это отвечает так называемый качельный механизм, который в данном случае должен четко работать.

Все это хорошо — но не очень. Существование дополнительных видов нейтрино должен подтвердить эксперимент, а он свидетельствует об обратном. Например, есть такая частица, нейтральный Z-бозон, который может распадаться на нейтринно-антинейтринные пары. Наличие новых сортов нейтрино увеличило бы число каналов такого распада и тем самым сократило время жизни Z-бозона по сравнению с тем показателем, который дают эксперименты. Выходит, что природа создала нейтрино лишь в трех ипостасях — не больше и не меньше. О том же говорят и астрофизические данные о количестве водорода и гелия во Вселенной.

Правда, эти возражения можно обойти. Они относятся лишь к тем нейтрино, которые принимают участие в превращениях элементарных частиц. Но можно допустить, что правовинтовые нейтрино, равно как и левовинтовые антинейтрино, этого не делают и взаимодействуют с другими частицами только через гравитационное притяжение. Эти экзотические нейтрино называют стерильными (а обычные — активными). В теории они придуманы очень давно; согласно только что опубликованным результатам физика из Фермилаба Иоахима Коппа и соавторов, их число скорее всего равно двум. Однако проведенные к настоящему времени эксперименты не подтверждают их существования — но окончательно и не опровергают. Так что пока вопрос остается открытым.

Проблема стерильных нейтрино обсуждалась на международном симпозиуме, который в сентябре состоялся в США. Как мне рассказал побывавший там профессор MIT Джозеф Формаджио, собравшиеся в вирджинском городке Блэксбурге физики сошлись в том, что для поиска стерильных нейтрино нужны новые детекторы, размещенные либо вблизи ускорителей, генерирующих нейтринные потоки, либо в подземных лабораториях, отлавливающих космические нейтрино. Сделать их можно, были бы деньги. Однако любой такой проект обойдется недешево — в миллионы, а то и десятки миллионов долларов. В последнее время на всю физику высоких энергий в США ежегодно тратят примерно $800 млн, и конкуренция за гранты весьма серьезная. Поэтому выделение крупных сумм на поиск стерильных нейтрино отнюдь не гарантировано. Участники симпозиума планируют написать белую книгу с обоснованием своих запросов. Принесет ли она пользу, покажет будущее.