Солнечные нейтрино в пути меняют облик

Сотрудники канадской нейтринной обсерватории в Садбери (штат Онтарио), начавшей работу в 1999 году, опубликовали первые результаты своих наблюдений за потоком солнечных нейтрино. Они подтвердили давние подозрения физиков, что, пролетая от Солнца до Земли, на пути в 150 миллионов километров, эти частицы испытывают превращения (см. "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.).

Измерять поток солнечных нейтрино, достигающих нашу планету, экспериментаторы начали сорок лет назад, но получить надежные результаты оказалось весьма сложно из-за специфических свойств этих удивительных частиц, и потребовалось много времени, чтобы накопить достоверные данные. Физики давно обнаружили, что они регистрируют гораздо меньше солнечных нейтрино, чем предписывает существующая теория - так называемая "стандартная солнечная модель". Это явление получило название "проблема дефицита солнечных нейтрино".

Нейтрино рождаются при ядерных реакциях в глубине Солнца, которое обеспечивает теплом и светом всех земных обитателей. Да и сама жизнь на Земле - только один из побочных продуктов работы солнечной ядерной печи. Поэтому знать, что происходит в недрах нашего светила, не только интересно, но и необходимо. Если физики полагают, что понимают процессы, происходящие внутри Солнца, они должны точно предсказать число нейтрино, которые достигают Земли. Когда измерения не согласуются с предсказанием, появляется дилемма: или мы не понимаем, как работает Солнце, или нейтрино ведут себя совсем не так, как ожидается.

Оценивая эту альтернативу, важно вспомнить, что еще сто лет назад физики не могли понять, откуда Солнце черпает энергию, почему процесс выделения ее колоссального количества идет, не ослабевая, столь долго и через какое время в космической топке "перегорит" все. И лишь ядерная физика, возникшая в 30-е годы прошлого века, показала, что обеспечивать такой потрясающе большой выход энергии и стабильность работы солнечной печи может бета-распад ядер - реакция, при которой нейтрон превращается в протон и, наоборот, протон в нейтрон, с выделением соответственно электрона или позитрона. При этом законы сохранения и принципы квантовой механики потребовали ввести в уравнение реакции нейтральную частицу-невидимку, уносящую часть энергии. Ее "придумал" В. Паули в 1930 году, а спустя два года Э. Ферми назвал ее нейтрино - "нейтрончиком". С самого начала нейтрино приобрело репутацию причудливой, таинственной частицы. Его масса чрезвычайно мала (или отсутствует вообще), а проникающая способность невероятно велика. Считалось даже, что нейтрино невозможно зарегистрировать в принципе. Однако техника эксперимента совершенствовалась, и сегодня эти частицы успешно "ловят" несколько нейтринных обсерваторий. В нашей стране их две - на Байкале и в Баксанском ущелье Кавказа (см. "Наука и жизнь" № 9, 1998 г.).

Вскоре было обнаружено, что существует три типа нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино, каждое из которых возникает только в определенных ядерных реакциях. Предполагалось, что все они неизменны, так что, например, нейтрино, рожденное вместе с электроном в процессе бета-распада, останется электронным навсегда.

Однако непростая репутация этих частиц навела некоторых дальновидных физиков на подозрение, что возможны взаимные превращения нейтрино - так называемые осцилляции, в ходе которых они изменяют свой тип. Так, электронное нейтрино, которое вылетело из недр Солнца, могло по дороге преобразоваться в мюонное. Но безмассовые частицы к превращениям не способны, и только результаты исследований на японском детекторе Суперкамиоканде дали основание предположить, что нейтрино имеет массу (см. "Наука и жизнь" № 12, 1998 г.). Подобные изменения могли объяснить наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино. Справедливость этого предположения и подтвердили новые результаты обсерватории Садбери.

Регистратор нейтринной обсерватории Садбери (SNO) - сферическая емкость с 1000 тонн тяжелой воды, установленная на глубине два километра в подземном зале шахты по добыче никеля. Он чувствителен к солнечным (электронным) нейтрино, которые при взаимодействии с дейтерием производят вспышки света, а их регистрируют 9500 фотоэлектронных умножителей.

SNO - первый подземный детектор нейтрино с тяжелой водой, в которой проходят реакции двух типов. В одной (назовем ее A) электронное нейтрино разрушает дейтерий, производя два протона и вылетающий электрон. При упругом рассеянии (реакция B) нейтрино взаимодействует с электроном атомной оболочки, атом получает импульс отдачи и отскакивает, а электрон вылетает. Однако реакция B может проходить с нейтрино любого вида.

За восемь с лишним месяцев детектор SNO зарегистрировал 1169 событий с участием нейтрино. Все они были тщательно проанализированы, чтобы разделить их на реакции класса А и B.

Поток солнечных нейтрино, измеренный по реакции А, составил 1,75x10⁶см^-2с ^-1 , а по реакции B, проведенной на Суперкамиоканде, - 2,32x10⁶ см^-2с^-1 (детектор SNO по ней еще не достиг требуемой точности). Потоки нейтрино, измеренные двумя способами, различаются на треть из-за того, что часть электронных нейтрино, возникших в глубинах Солнца, по дороге к Земле или в верхних слоях ее атмосферы "преобразовалась" в другие типы и по прибытии в SNO не могла вызвать реакцию A.

Результаты измерений обсерватории Садбери дали первые прямые доказательства осцилляций солнечных нейтрино. Результат этот чрезвычайно важен сразу по нескольким причинам. Во-первых, решена "проблема дефицита солнечных нейтрино" и отпадает необходимость пересматривать "стандартную солнечную модель". Во-вторых, доказано, что нейтрино имеет массу. А поскольку нейтрино в мире не меньше, чем фотонов, появляется возможность по-новому взглянуть на проблему "скрытой массы", или "темной материи" (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.) и наконец-то понять, какую топологию имеет наша Вселенная.