Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Нейтрино (часть 2)

Доктор физико-математических наук В. НОЗИК

В предыдущем номере журнала (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.) рассказывалось о драматических событиях, связанных с историей открытия нейтрино буквально "на кончике пера". Предсказанные теорией уникальные свойства этой частицы - отсутствие заряда и массы, феноменальная проникающая способность - приводили к неутешительному выводу: если нейтрино и удастся обнаружить в эксперименте, то очень и очень не скоро.

Поймать живым!

Отец "чернильного" нейтрино Вольфганг Паули был уверен, что "при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено. Однако уже 14 июня 1956 года он получил телеграмму от руководителя американской экспериментальной группы Фредерика Рейнеса: "Счастливы сообщить Вам, что мы определенно детектировали нейтрино, эффективное сечение взаимодействия равно (0,94±0,13)10-43 см2".

Двойное торжество - нейтрино есть и интенсивность его взаимодействия с протоном отлично совпадает с расчетами по теории Ферми.

Команда Рейнеса получила первый положительный результат еще в 1953 году, но три года группа тщательно проверяла собственное открытие на более совершенном детекторе и более мощном источнике. Как же был достигнут столь фантастический результат?

Для регистрации результата взаимодействия гипотетического нейтрино с протоном была выбрана реакция "обратного" ß-распада. По правилам квантовой механики, если существует реакция с рождением нейтрино, то должна существовать (если не запрещена законами сохранения) и "обратная" реакция с его поглощением и превращением протона в нейтрон с выделением позитрона. Таким образом, если при включенном источнике искомых нейтрино установка (большая "протонная" мишень с детектором) "сообщает" о появлении пар (позитрон и нейтрон), а при выключенном источнике "молчит", логично полагать, что виновником такого события стало взаимодействие нейтрино с протоном.

Мишень с большим числом протонов создать легко: годится любая водородсодержащая жидкость (ядро атома водорода и есть протон), например вода, в каждом кубическом сантиметре которой содержится около 1024 протонов. Зарегистрировать позитрон тоже не сложно. Родившись, он почти мгновенно растратит свою энергию на электромагнитные столкновения с веществом детектора, остановится и в покое аннигилирует с первым попавшимся электроном вещества мишени. В процессе аннигиляции родятся два γ-кванта, каждый из которых будет уловлен одним из многочисленных фотоумножителей детектора.

На нейтрон тоже можно придумать ловушку. Ядра кадмия, например, "с удовольствием" поглощают нейтроны, а рожденное ядро его изотопа излучит каскад γ-квантов. Если в воде мишени растворить соль кадмия, то родившийся в ß -распаде нейтрон, попутешествовав в растворе некоторое время, встретит ядро кадмия, поглотится и испустит несколько (в среднем три) γ-кванта. Уловленные фотоумножителями, они и будут свидетельствовать о появлении нейтрона.

Огромная трудность эксперимента заключается в том, что в детектор попадает очень много "безродных" γ-квантов, не имеющих никакого отношения к искомой реакции. Их источники - космические лучи, радиоактивные элементы материала мишени и детектора. Ложные срабатывания детектора физики называют фоном. В опытах, где число искомых событий мало, необходимо надежно защитить детектор от фона. А помогают сделать это характеристики сигнала от истинного нейтринного события. Они должны быть так же неповторимы, как отпечатки пальцев, чтобы среди моря случайных (фоновых) γ-квантов и нейтронов можно было узнать "истинный нейтринный портрет". В нашем случае два γ-кванта от аннигиляции электрона с позитроном в покое имеют энергию, равную сумме масс электрона и позитрона, и делят ее ровно пополам, разлетаясь в противоположные стороны, - так велит закон сохранения энергии и импульса. Три γ-кванта от захвата нейтрона кадмием тоже имеют известные энергии, но появятся только спустя некоторое (измеренное в других опытах) время, необходимое для того, чтобы нейтрон замедлился до подходящей для захвата кадмием энергии.

Таким образом, искомое нейтринное событие должно выглядеть так:

1. Счетчики фиксируют два одновременных γ-кванта с энергиями 0,511 эВ (эта энергия соответствует энергии массы покоя электрона или позитрона) в противоположных направлениях,

2. После этого счетчики γ-квантов запираются, чтобы "чужаки" не мешали, и вновь открываются только через несколько тысячных долей секунды (на время путешествия нейтрона до поглощения кадмием), чтобы зафиксировать сигнал от трех γ-квантов с определенными энергиями.

Такого набора признаков (физики называют их критериями отбора) достаточно, чтобы уверенно распознать нейтринное событие, отличив его от фонового.

Детектор готов, и пора рассказать об использованном Рейнесом нейтринном источнике, который обеспечивал успех эксперимента. То, что в 30-е годы Паули и представить не мог, стало реальным в результате гигантского скачка в прикладной ядерной физике, инициированного войной с фашизмом.

В 1944 году в США Энрико Ферми впервые осуществил цепную реакцию деления урана, а в 1945 году американцы испытали первую ядерную бомбу. В процессе деления нейтронами 235U образуется пара осколков-ядер с меньшей суммарной массой, уносящих освобождающуюся при делении энергию около 200 МэВ. Как правило, они нестабильны и превращаются в стабильные (или долгоживущие) ядра через цепочку последовательных ß-распадов, в каждом из которых, по гипотезе Паули, должно рождаться нейтрино с энергией несколько МэВ. Осколка - два, цепочек - в среднем три. Итого в каждом делении возникает в среднем 6 нейтрино, а в ядерном реакторе мощностью 1 гигаватт ежесекундно образуется около 1020 этих частиц. Вот с таким источником можно ловить нейтрино.

И все-таки это был отчаянный замысел. Рейнес с большой командой физиков и инженеров назвали его "Проект Полтергейст", ассоциируя имя с устойчивым (до сегодняшнего дня!) средневековым предрассудком, будто иногда происходят события, немыслимые без участия невидимого "суматошного духа" (polterig - суматошный, шумный; geist - дух). На него (по-нашему - барабашку) списывают летающие предметы, иногда деньги, падения с кровати, уличные беспорядки, порчу сантехники, чаще всего унитазов. А в марте 1662 года в городке Тедуорт графства Уилтшир (Англия) обиженный на судью за неправедный приговор местный барабашка зачем-то засунул в пасть судейской лошади копыто ее задней ноги.

Проектируя эксперимент, Рейнес даже хотел использовать в качестве нейтринного источника взрыв ядерной бомбы. Однако реальный эксперимент был выполнен на ядерном реакторе, который облучал мишень потоком около 1013 нейтрино на квадратный сантиметр за секунду. Мишенью служил 400-литровый бак с растворенным в чистейшей воде хлористым кадмием CdCl2, а детектором - сотня фотоэлектронных умножителей, покрывающих всю поверхность "бочки" Рейнеса. В тысячах приходящих сигналов можно было распознать 40 событий протон-нейтринных взаимодействий в сутки. Эксперимент 1956 года длился около трех месяцев. Его результат и был изложен в телеграмме. Вольфганг Паули проиграл пари, быть может, самое счастливое пари в его жизни.

С тех пор нейтрино "видели" многие, потому что с 1956 года пролился...

Звездный дождь открытий

Параллельно с группой Ф. Рейнеса поимкой нейтрино занималась группа Р. Дэвиса. Идею их опыта еще в 1946 году предложил Бруно Понтекорво. Его идея состояла в следующем. Известен вариант реакции ß-распада: захват ядром изотопа аргона 37Аr собственного орбитального электрона (К-захват) с испусканием нейтрино 37Аr + е-37Cl +ν . Должна быть и обратная реакция захвата нейтрино изотопом 37Сl с образованием аргона 37Аr. Фиксация "беспричинного" образования атомов аргона в чисто хлорной мишени, облученной потоком нейтрино из реактора, означало бы фиксацию самого нейтрино. Однако в 1956 году Р. Дэвис опубликовал результат: реакция не идет. Если этот факт объединить с открытием нейтрино Рейнесом, то вывод будет единственным: нейтрино из К-захвата и реакторное нейтрино из ß -распада различны. Они соотносятся как частица и античастица.

Спустя год в эксперименте группы Ц. By с ß-распадом 60Со было показано, что в реакциях с участием нейтрино (слабых взаимодействиях) нарушается зеркальная симметрия (закон сохранения четности). Оказалось, что в мире элементарных частиц правое и левое не условные названия, а внутреннее свойство частиц. Интересно, что это фундаментальное открытие могло бы состояться на 30-40 лет раньше, если бы не теоретическое предубеждение в нерушимости право-левосимметричного мира. Ведь все нужное для опыта оборудование было в распоряжении экспериментаторов еще в 30-е годы. От "пустой" траты времени на проверку удерживали вера в законы симметрии и, может быть, то, что в такую возможность не поверил В. Паули: "Бог не может быть слаборуким левшой". И вот под напором эксперимента принцип симметрии рухнул в одном из прочнейших звеньев!

В 1962 году Леон Ледерман экспериментально доказал, что электронное нейтрино, рождаемое в паре с позитроном, отличается от мюонного, которое рождается в паре с мюоном. А когда в 1975 году М. Перл открыл третий заряженный лептон τ± , стало ясно, что существует и третье нейтрино -ντ таонное . И все они имеют соответствующие античастицы.

Чтобы объяснить появление всех этих видов нейтрино, пришлось ввести еще одну квантовую характеристику - так называемое лептонное число. Оказалось, что при любом взаимодействии сумма всех лептонных чисел до взаимодействия и после него должна сохраняться. Казалось бы, выведен еще один фундаментальный закон, определяющий, какие реакции могут идти, а какие нет. Однако все оказалось не так просто...

Ожидаемые "сюрпризы"

Только-только с помощью сохраняющихся лептонных чисел физики навели порядок в свойствах нейтрино: запретили то, что "не положено", и разрешили все остальное, как тут же принялись разрушать такой красивый и необходимый закон. Видимо, после падения зеркальной симметрии (закона сохранения четности) повеял ветер свободы от запретов. Зачинщиком опять был Бруно Понтекорво. В 1958 году, уже работая в Дубне, он заметил, что никакой принцип, кроме закона сохранения лептонного числа, не запрещает нейтрино одного типа (аромата) самопроизвольно превратиться в нейтрино иного аромата. А если вдруг электронное нейтрино превратится в мюонное, то о сохранении лептонного заряда нейтрино надо прочно забыть.

Как же представить себе это превращение? В русских сказках Иван-царевич (или дурак) брякнулся об землю, обернулся соколом, и никто этому не удивился. Потому что "бряк об землю" - мало ли что может случиться при столкновении. А чтобы без "бряк", на ровном месте - такое случается только в мире частиц. Причем возможно это только в том случае, если частица представляет собой квантово-механическую "смесь" других частиц. Экспериментально такое явление было обнаружено для К°-мезона: он в вакууме, без какого-либо взаимодействия, на лету, самопроизвольно превращается в анти-К°. Называется это явление осцилляцией - периодическим превращением частицы из одного вида в другой.

Вот и любое нейтрино, например электронное e , можно представить "состоящим" из трех других. Назовем их, скажем, "красным", "желтым" и "синим". И у каждого из этих "цветных" нейтрино имеется определенная масса. Это значит, что в свободном пространстве они станут двигаться с разной скоростью. А поскольку каждая частица еще и волна, то на разных расстояниях от точки рождения волны станут складываться по законам интерференции, "собираясь" в нейтрино разных типов - электронное, мюонное или таонное.

Можно провести такую аналогию: каждый человек обладает несколькими качествами, пусть это К1, К2 и К3. Они на лбу не написаны, и непосредственно узнать их нельзя. Но человек совершает разные, смотря по обстоятельствам, действия: пусть Д1, Д2 и Д3, следя за которыми, можно узнать качества. Каждое качество (аналог "цвета" нейтрино) узнается по сумме (смеси) действий (аналог его типа, или аромата): К1 - сумма всех Д с одним набором коэффициентов, К2 - сумма тех же Д, но с другими коэффициентами, и К3 аналогично. Легко понять, что и в каждом действии замешаны человеческие качества. Если в 8 часов утра человек совершает некоторый поступок (т. е. проявляет одну совокупность качеств), то в 8 вечера может проявиться другая совокупность и он совершит иной поступок. А "объективный" наблюдатель скажет: "Был один человек - стал другой".

Осцилляции будут обнаружены непременно, если нейтрино обладает массой... Есть ли она?

Первый и не последний вопрос

Уже семьдесят лет этот вопрос стоит укоризной и пятьдесят лет исследуется экспериментально. То, что масса нейтрино мала (по меркам элементарных частиц), догадывались с самого начала. Но какова она?

Нет способов взвесить незаряженное нейтрино, как это делалось с электроном: Р. Милликен компенсировал гравитационную силу кулоновской. Невозможно непосредственно измерить скорость нейтрино на фиксированной пролетной базе. Определение массы нейтрино может быть основано только на косвенном ее проявлении. Первое, на что обратили внимание, это зависимость формы спектра электронов в ß-распаде от конечной массы нейтрино (в нем участвует антинейтрино, но массы частицы и античастицы тождественно равны). Как уже говорилось, электронам в трехчастичном распаде доступны любые энергии от нуля до некоторой граничной (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). Пришло время указать точно, какова ее величина.

Опять поможет закон сохранения энергии. Начальное состояние - покоящееся ядро, его полная энергия равна mpc2, т.е. массе родительского ядра. Конечное состояние - движущиеся дочернее ядро, электрон и нейтрино. Полная энергия этого состояния есть сумма масс частиц и их кинетических энергий. Кинетической энергией тяжелого (ядро в тысячи раз тяжелее электрона) дочернего ядра можно пренебречь, и вся кинетическая энергия делится между электроном и нейтрино различным образом от одного распада к другому.

Максимально доступная для электрона энергия возникнет в таком распаде, где нейтрино родится в покое. Это и будет граничной энергией спектра. Граничная энергия электрона выражается с хорошей точностью только через массы частиц, а массу нейтрино можно определить через атомные веса, массу электрона и измеренную граничную энергию распада. С хорошей точностью граничную энергию измерить трудно, и такой простой метод годится только для грубой оценки. Именно это имел в виду В. Паули, когда говорил, что из атомных весов видно, что масса нейтрино не больше массы электрона.

Для более точного определения массы необходимо с высокой точностью измерить форму спектра вблизи граничной энергии. Его график приведен на стр. 28 первой части статьи (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). К сожалению, нарисован он с ошибкой: спектр двухчастичного распада (а) должен соответствовать не максимальной, а граничной энергии электронов трехчастичного распада (б). График будет нагляднее, если на оси ординат отложить не N, a √ N - такое представление называется графиком Кюри. На рисунке показан ход безмассового спектра: прямая линия и ход спектров для нейтрино с массами 10 и 20 эВ. Хорошо видно, что, если энергия электронов заметно меньше граничной, все кривые неотличимы - масса нейтрино не проявляется. Но как только энергия приближается к граничной величине, ход спектра резко меняется и график стремительно "ныряет" к нулю. Вот этот "нырок" и должен уловить экспериментатор. Чем меньшую массу нейтрино мы хотим уловить, тем меньше область, где безмассовый спектр отличается от "массивного", и трудность эксперимента резко возрастает.

Первый эксперимент по определению массы нейтрино был выполнен Б. Понтекорво в 1948 году с результатом mν < 1200 эВ. С тех пор, постепенно улучшая качество спектрометра и источника, понижая фон, экспериментаторы продвигают верхнюю границу массы нейтрино все к меньшим и меньшим значениям. Был момент (1980 год), когда показалось, что получен сигнал об изменении формы спектра, то есть указание, что масса нейтрино не меньше 14 эВ. С огромным энтузиазмом несколько групп в США, Швейцарии, Японии, Германии принялись за проверку, и оказалось, что за искажение формы спектра отвечает не масса нейтрино, а неучтенные особенности источника распадов. Самый точный эксперимент сейчас продолжается в Институте ядерных исследований под руководством В. Лобашова. Пока обнародован удивительный результат: если непосредственно (без дополнительных предположений) трактовать измеренный спектр, придется сделать вывод, что квадрат массы нейтрино отрицателен! Тут уж есть о чем задуматься и над чем поработать. А пока с уверенностью можно сказать, что в результате этого замечательного эксперимента получен рекордно низкий предел возможной массы электронного антинейтрино: mν < 4,5 эВ.

А что дают другие методы?

поиски осцилляции и да здравствует Солнце!

История поисков осцилляции тоже полна драматизма. Первым объявил в 1980 году о наблюдении осцилляции сам открыватель нейтрино Ф. Рейнес. Затем были и другие обнадеживающие результаты, но каждый раз последующие эксперименты на реакторных и ускорительных пучках нейтрино опровергали положительные сообщения. И до сих пор в многочисленных экспериментах не получен утвердительный ответ. Но есть нерукотворный источник нейтрино: это источник нашей жизни - Солнце.

Если бы удалось измерить поток солнечных нейтрино на Земле, то, воспользовавшись формулой для вероятности электронному нейтрино на пути от Солнца до Земли остаться самим собой, мы могли бы проверить гипотезу существования нейтринных осцилляций.

Захватывающие перспективы подвигли физиков на фантастический эксперимент. Первым был американец Дж. Дэвис. В штате Южная Дакота есть соляная шахта Хоумстейк глубиной 1455 м. Туда почти не проникают космические лучи, которые могут породить фоновые нейтрино, никакого отношения к Солнцу не имеющие. В этой шахте и помещается детектор солнечных нейтрино. Он представляет собой огромный бак, а в нем 615 тонн Сl4С2 (говорят, что это обычное моющее средство). Для захвата нейтрино служит та самая реакция, которая в 1956 году не шла у Дэвиса с антинейтрино от реактора. С нейтрино она должна идти, и сигналом взаимодействия с хлором будет образование атомов радиоактивного аргона. Все очень просто, пока мы не принялись за числа. Зная величину потока солнечных нейтрино, сечение слабого взаимодействия ( ≈10-43 см2) и количество атомов хлора (2,16x 1030), легко сосчитать, что за сутки в баке Дэвиса должно образоваться около двух атомов аргона! Давайте же почувствуем, насколько надо верить в разум, в предсказательную силу истинной науки и презирать досужую околонаучную болтовню о телекинезе, барабашках, "микролептонах", способных непредсказуемым образом утащить или добавить штуку-другую искомых атомов, чтобы не дрогнуть перед задачей достать и пересчитать полсотни атомов аргона из 1030 других атомов.

Дэвис со своей командой научились делать это и были вознаграждены. С 1970 года они получают стабильный результат: число зарегистрированных солнечных нейтрино оказалось в четыре раза меньше того, что предсказывают "солнечные теоретики". Куда же девались остальные 3/4? Может быть, часть образовавшихся атомов аргона теряется при сложной химической процедуре или не менее сложной процедуре их пересчета? За 29 лет эксперимента эти процедуры непрерывно улучшались и проверялись, но результат - 1/4 - существенно не изменился. Может быть, ошиблись теоретики в расчетах ожидаемого числа нейтрино?

Проверка этого предположения вызвала к жизни похожий, но принципиально иной эксперимент. Дело в том, что реакция с хлором идет, только когда энергия нейтрино превысит порог 0,814 МэВ. А это значит, что детектор Дэвиса чувствителен только к бериллиевым и борным нейтрино. Максимальная энергия нейтрино водородного протон-протонного цикла - 0,42 МэВ - слишком низка. Хорошо бы построить детектор, реагирующий именно на эти нейтрино: их много больше, и для них предсказания теоретиков значительно точнее.

Выход в 1966 году нашел молодой теоретик из Института ядерных исследований Вадим Кузьмин. Он указал на то, что реакция поглощения нейтрино изотопом галлия 71Ga с образованием радиоактивного германия идет с порогом всего лишь 0,233 МэВ, а следовательно, пригодна для регистрации и водородных, и всех иных нейтрино солнечного спектра. Только в 1991 году начал действовать российско-американский Ga-Ge детектор в Баксанской (Северный Кавказ) нейтринной лаборатории (эксперимент SAGE). Мишень для солнечных нейтрино из 57 тонн металлического галлия расположена в туннеле под горой. Чуть позже заработал аналогичный детектор в подземной лаборатории Гран-Сассо, содержащий 30 тонн галлия в виде раствора GaCl3 (эксперимент GALLEX). И в этих экспериментах предстояло извлекать накопившиеся в три месяца 30 атомов германия. Но чему удивляться после Дэвиса?..

Оба эксперимента дали согласующиеся результаты: число зарегистрированных солнечных нейтрино в 2 раза меньше ожидаемого. Опять меньше, опять пропажа и опять сомнения в процедурах извлечения. В физике сомнения разрешаются только экспериментально, иногда дорогой ценой. В данном случае цена была немалая. Обе группы создали земные источники нейтрино из накопленного радиоактивного изотопа хрома. Интенсивность каждого источника была подобна интенсивности солнечных нейтрино на поверхности Земли, но с точно рассчитанным ее значением.

Контрольные извлечения атомов германия, образованного "искусственным Солнцем", в обоих экспериментах подтвердили отсутствие ошибок в процедурах извлечения.

Последнюю точку в "проблеме солнечных нейтрино" - так она называлась с первых работ Дэвиса - поставил японский эксперимент "Камиокандэ" (см. "Наука и жизнь" № 12, 1998 г.). Физики этой группы пошли по иному пути. В огромном детекторе они регистрировали результат упругого рассеяния нейтрино на атомарных электронах. Тело детектора, расположенного в шахте Камиока, - 1000 тонн сверхчистой воды; сигнал - свет от черенковского излучения электронов отдачи дает информацию об энергии электронов и направлении движения. Последнее особенно важно, ибо позволяет судить о направлении движения налетающего нейтрино и отобрать только те события, в которых нейтрино летели в направлении Солнце - Земля. Еще одна особенность эксперимента "Камиокандэ" - он регистрирует только нейтрино борные. Последний результат: отношение экспериментального числа к ожидаемому - 0,42.

Все четыре солнечных эксперимента указывают на "исчезновение" нейтрино. Почему же физики не утверждают, что осцилляции открыты? Да потому, что не удается одним набором параметров описать полную совокупность данных всех четырех "солнечных" экспериментов. Вполне может быть, что Солнце ведет себя не так, как ему предписывает Стандартная солнечная модель. Проблема солнечных нейтрино еще ждет своего разрешения.

Задание на завтра

Много раз в истории физики казалось, что вот-вот окончательно прояснится картина физического мира и физикам придется освоить что-то иное, например биологию (см. "Наука и жизнь" №№ 11 и 12, 1999 г.). Конечно, биология - одно из самых "важных и интересных", по выражению академика В. Л. Гинзбурга, направлений современной науки, но вряд ли такой момент уже наступил. Скорее, наоборот - нейтринное поле еще "пахать и пахать" не один год. Представьте себе такой реальный проект осцилляционного эксперимента: пучок нейтрино от ускорителя в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) направляется на детектор СуперКамиокандэ (Япония) и проходит расстояние 8 752 километра вблизи земного ядра. Что покажет этот эксперимент? Или для измерения потоков космических нейтрино в качестве мишени-детектора использовать весь Байкал с его чистой водой? Еще более экзотичный проект Аманда осуществляется в Антарктиде. Пробурив на два километра материковый лед, физики добрались до чистейшего реликтового льда, свободного от неоднородностей, радиоактивности и биологической жизни, которая своим излучением так мешает сверхчувствительным фотоэлементам, предназначенным для регистрации иного света. Черенковский свет в антарктическом детекторе распространяется на сотни метров без существенного поглощения. Над этими и другими подобными проектами уже работают команды из сотен физиков и инженеров. Здесь могут потрудиться и сегодняшние студенты.

А вот задание "на завтра" для школьников. Согласно модели Большого взрыва, Вселенная должна быть заполнена реликтовыми нейтрино, доставшимися нам в том виде, какими они были через ОДНУ секунду после Начала. Их много - около 500 штук в 1 куб. см. Насколько ближе и понятней была бы нам картина Мира, если бы удалось найти экспериментальное доказательство "нейтринного изобилия".

На эту тему 30 лет назад размышлял студент МГУ Витя Шварцман и придумал способ столь замечательный, что после его ранней смерти академик Я. Зельдович, учитель B. Шварцмана, и члены-корреспонденты С. Герштейн и В. Брагинский, заново рассмотрев идею Шварцмана, нашли, что она ОСУЩЕСТВИМА. Когерентное рассеяние реликтовых нейтрино на пористом веществе передает импульс массивной мишени, которая приобретет ускорение около 10-22 см/сек2. Величина небольшая, но не существует никакого физического принципа, ограничивающего точность измерения ускорения. Сегодня достигнута точность 10-16 см/сек2. Требуется улучшить ее "только" в миллион раз. Достойная задача для молодого, смелого ума.

А начать надо с чтения книг. Для начального математического умения (а без него не обойтись даже на ранней стадии) подходит уже упоминавшаяся замечательная книга Я. Б. Зельдовича "Высшая математика для начинающих". В ней нет "суровой" математической строгости, но зато она идеальна для случая, когда "чешутся руки" на физическую задачку и нет сил отложить ее до прочтения многих математических томов. Книги по физике для школьников написаны выдающимися специалистами и одновременно изобретательными популяризаторами. Если вам интересна физика элементарных частиц и, в частности, физика нейтрино, прочтите Г. И. Копылова "Всего лишь кинематика", Л. Б. Окуня " α, β , γ... Z", Я. Б. Зельдовича и М. Ю. Хлопова "Драма идей в познании физики", И. Д. Новикова "Как взорвалась Вселенная", А. А. Борового "Как регистрируют частицы" - книги библиотеки "Квант". Прекрасна книга C. Вайнберга "Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной" с дополнениями Я. Б. Зельдовича, Т. Редже "Этюды о Вселенной", Е. Намбу "Кварки".

Подробности для любознательных

Нейтрино и Солнце

Без нейтрино не было бы жизни, потому что термоядерное горение водорода (Солнце - гигантский водородный шар) невозможно без участия нейтрино. Солнечные нейтрино в основном образуются в трех реакциях: #6#

Каждую секунду Солнце испускает 1,8х1038 электронных (и только электронных!) нейтрино. Все они практически без поглощения выходят на поверхность Солнца, и часть из них достается Земле. Теоретики, создавшие Стандартную солнечную модель, утверждают, что они с большой точностью знают число нейтрино, испускаемых в каждой реакции и ежесекундно падающих на каждый квадратный сантиметр Земли:

водородные нейтрино - 6,01х1010;

бериллиевые - 0,47х1010;

борные - 5,81х106.

(Данные разных "солнечных" теоретиков несколько расходятся, и здесь приведены расчеты Дж. Бакала. "Нейтринная астрофизика". - М.: Мир, 1993.)

Другие статьи из рубрики «Беседы об основах наук»

Если в точке О зафиксировано мюонное нейтрино, летящее в направлении точки Р, это значит, что из О летят три "цветные" компоненты, интенсивность которых пропорциональна коэффициентам их смешивания в мюонном нейтрино.
Академик Бруно Понтекорво, итальянский физик, с 1950 года работал в нашей стране. В 1946 году предложил эксперимент по определению массы нейтрино, который неоднократно проводился в разных странах со все возрастающей точностью.
Первооткрыватель нейтрино Фредерик Рейнес (справа) с участниками "Проекта Полтергейст". 1953 год.
Самый точный на сегодняшний день эксперимент проделан под руководством В. Лобашова в Институте ядерных исследований (ИЯИ). Измерения показали, что график Кюри в области граничной энергии загибается не вниз, а вверх (а).
График Кюри. По горизонтали отложена энергия электронов, возникающих в трехчастичном распаде, по вертикали - корень квадратный из числа этих электронов.
Детальное описание иллюстрации

Если в точке О зафиксировано мюонное нейтрино, летящее в направлении точки Р, это значит, что из О летят три "цветные" компоненты, интенсивность которых пропорциональна коэффициентам их смешивания в мюонном нейтрино. Элементарные частицы можно представлять себе как волны, поэтому в каждой точке на своем пути частицы-волны будут иметь и разные амплитуды. И может оказаться так, что в точке Р сложится вовсе не мюонное нейтрино, а электронное, а в точке Р1 - таонное.
Самый точный на сегодняшний день эксперимент проделан под руководством В. Лобашова в Институте ядерных исследований (ИЯИ). Измерения показали, что график Кюри в области граничной энергии загибается не вниз, а вверх (а). Математически это означает, что квадрат массы нейтрино должен быть отрицательным. Физического смысла такой результат не имеет, поэтому исследователи продолжали непрерывные наблюдения и выяснили, что эффект возникает и пропадает с периодичностью в полгода. Исследователи нашли только одно рациональное объяснение происходящему. Известно, что Вселенная заполнена реликтовыми нейтрино очень малой энергии; их плотность - около 500 частиц на кубический сантиметр. Если в плоскости эклиптики имеется слой нейтрино высокой энергии и плотностью 10<sup>15</sup> см<sup>-3</sup>, то Земля, двигаясь по орбите, наклоненной к этой плоскости на небольшой угол, два раза в год входит в плотное нейтринное "облако" (б). Интенсивность реакций с участием нейтрино возрастает в миллионы раз, и это воспринимается как повышение граничной энергии взаимодействия. Но причины и механизмы образования такого плоского "облака" нейтрино остаются непонятными.
График Кюри. По горизонтали отложена энергия электронов, возникающих в трехчастичном распаде, по вертикали - корень квадратный из числа этих электронов. Если нейтрино не имеет массы, график остается прямолинейным до значения граничной энергии (а). Если у нейтрино есть масса, то график круто падает к нулю, не доходя до граничного значения на величину, равную энергии нейтрино (б). Экспериментатор должен уловить этот "нырок", возникающий в области очень малых энергий.



Яндекс цитирования Рейтинг@Mail.ru Партнер Рамблера