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 К0-мезона: он в вакууме, без какого-либо взаимодействия, на лету, самопроизвольно превращается в анти-К0. Называется это явление осцилляцией — периодическим превращением частицы из одного вида в другой.
Вот и любое нейтрино, например электронное ve, 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?
Первооткрыватель нейтрино Фредерик Рейнес (справа) с участниками «Проекта Полтергейст». 1953 год.
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 (β-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 mpс2, 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.
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 1015 см3, 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.