Взаємне перетворення різних видів нейтрино 08.10.2015

Загальновідома дуже слабка взаємодія нейтрино з речовиною. Вони можуть пройти крізь Землю чи Сонце, не потривоживши жодного атома. Більше того, вони можуть пройти через мільярди зірок. З одного боку це ускладнює їх реєстрацію та вимірювання характеристик, а з іншого робить джерелом найважливішої інформації про еволюцію Всесвіту та процеси, що відбуваються всередині зірок. Вчені також вважають, що нейтрино можуть відігравати ключову роль у поясненні асиметрії матерії та антиматерії у Всесвіті, що полягає в тому, що після Великого Вибуху не відбулося повної взаємної анігіляції матерії та антиматерії, а частина матерії все ж уціліла і сформувала наш Всесвіт.

Одна з проблем, пов'язаних із нейтрино, - це проблема їхньої маси. Довгий час передбачалося, що нейтрино немає маси. Саме так вони розглядалися у первісному варіанті Стандартної моделі. Вирішення цього питання важливе не тільки для розуміння фізики елементарних частинок. Нейтрино породжуються ядерними реакціями, що відбуваються у Всесвіті, і після фотонів це найпоширеніші у ньому частки. Їх кількість величезна. Кожну секунду через квадратний сантиметр проходять понад 60 мільярдів нейтрино. Так що навіть при дуже малій своїй масі загальна маса всіх нейтрино може бути дуже велика і може впливати на еволюцію Всесвіту. За сучасними оцінками маса всіх нейтрино приблизно дорівнює масі всіх видимих ​​зірок у Всесвіті.

Ще одна проблема виникла щодо кількості електронних нейтрино, що приходять на Землю від Сонця. З 1970-х років експерименти реєстрували лише одну третину від передбаченої теорією їхньої кількості. Це назвали дефіцитом числа електронних нейтрино. Для пояснення явища було висунуто два десятки припущень, у тому числі перемогла гіпотеза про нейтринних осциляцій (коливань). У ній передбачалося, що електронні нейтрино на шляху від Сонця перетворювалися на інші типи нейтрино, які не реєструвалися в експериментах. Цікаво, що ідею осциляцій елементарних частинок висловив радянський академік Бруно Понтекорво ще 1957 року. Серйозно про осциляції нейтрино заговорили у другій половині 1990-х років.

В даний час відомо про три типи нейтрино, кожен з яких завжди народжується разом із відповідним лептоном - електроном, мюоном або тау-лептоном, за яким вони і отримали свої назви. Відповідно до гіпотези нейтринних осциляцій відбувається періодичний у часі та просторі процес перетворення нейтрино один на одного. Так що в пучку, що складається спочатку тільки з електронних нейтрино, з поширенням з'являється домішка мюонних і тау-нейтрино з одночасним зменшенням частки електронних.

Цікаво, що вирішення цієї проблеми виявилося пов'язаним із проблемою маси нейтрино. Справа в тому, що осциляції нейтрино можливі лише за наявності мас.

Причина цього за сучасними уявленнями в тому, що електронне, мюонне та тау-нейтрино є квантовою сумішшю трьох станів з різними масами, кожен з яких входить зі своєю часткою. Можна сказати, що електронне, мюонне та тау-нейтрино складаються з трьох хвиль, кожна з яких коливається зі своєю частотою та амплітудою. Тому, якщо в початковий момент часу сума цих хвиль виглядала як електронне нейтрино, то через деякий час ці хвилі складуться так, що з'являється домішка мюонного та тау-нейтрино, що і вимірюють експериментатори як дефіцит у числі електронних нейтрино.

Так що фізики вже давно вважають, що нейтрино мають масу, хоча вона поки що так і не виміряна безпосередньо. Була навіть здійснена відповідна невелика модифікація формул Стандартної моделі, яка не порушила її суті. Але експериментальні докази цього було отримано межі XX і XXI століть. Лауреати нобелівської премії 2015 року японець Такаакі Кадзіта та канадець Артур Макдональд якраз і були ключовими фігурами двох великих науково-дослідних груп, які досліджували нейтрино осциляції.

В 1998 були опубліковані результати японських учених з осциляції атмосферних нейтрино, що виникають при взаємодії космічних променів з ядрами атомів атмосферних газів, отримані в експерименті Супер-Каміоканде (Super-Kamiokande). Коли нейтрино стикається з молекулою води в баку детектора, народжується швидка, електрично заряджена частка. Вона породжує черенківське випромінювання, яке вимірюється світловими датчиками. Його форма та інтенсивність показують тип нейтрино і звідки воно прийшло. Мюони нейтрино, які прийшли зверху, були більш численними, ніж ті, які подорожували довшим шляхом через всю земну кулю. Це показує, що мюонні нейтрино у другому випадку перетворилися на інші типи нейтрино.

У 2001 році осциляції сонячних нейтрино були доведені в нейтринній обсерваторії в Садбері (SNO - Sudbury Neutrino Observatory). Там реакції між нейтрино і важкою водою в баку детектора дали можливість виміряти кількість як електронних нейтрино, так і всіх трьох типів нейтрино разом. Було виявлено, що електронних нейтрино менше, ніж очікувалося, в той час як загальна кількість усіх трьох типів нейтрино разом відповідала очікуванням. З цього випливало, що частина електронних нейтрино перетворилася на інші види нейтрино.