НЕЙТРИНО
Нейтрино — электрически нейтральная частица, относящаяся к лептонам. Название придумано Э. Ферми в 1932 г. и означает в переводе с итальянского «нейтрончик». Гипотезу о существовании нейтрино высказал В. Паули в 1930 г. с целью спасти закон сохранения энергии. Что же угрожало этому фундаментальному закону, лежащему в основе всей физики? Еще в 1914 г. Дж. Чедвик, будущий первооткрыватель нейтрона, нашел, что при бета-распаде атомных ядер кинетическая энергия испускаемых электронов принимает любые значения от нуля до некоторой максимальной величины Emax. Согласно закону сохранения энергии ожидалось, что электроны должны иметь строго фиксированное значение энергии, определяемое разностью энергий начального и конечного ядер. Именно такие свойства имели другие типы распадов. Паули предположил, что часть энергии уносится какой-то невидимой частицей, так что сумма ее энергии и энергии электрона, действительно, постоянна, а меняется лишь распределение энергии между этой частицей и электроном. В те годы были известны только электрон, протон и фотон и нужна была большая научная смелость для такого предположения.
Созданная Э. Ферми в 1934 г. теория β-распада (с участием нейтрино) подтверждалась экспериментами. Но прошло более 20 лет, пока физики сумели «поймать» нейтрино, что объясняется необычными свойствами этой частицы.
Будучи электрически нейтральным, нейтрино не участвует в электромагнитных взаимодействиях. Как и все лептоны, оно не подвержено также влиянию сильных взаимодействий. Отсюда и вытекают значительные трудности наблюдения нейтрино: само оно следов в детекторах ядерных излучений не оставляет и регистрируется по следам заряженных частиц, рожденных в реакции с его участием. Но вероятность таких реакций, вызываемых слабыми взаимодействиями, очень мала, и потому нейтрино обладает колоссальной проникающей способностью. Даже стальная плита толщиной в расстояние от Земли до Солнца не может послужить для него преградой: такая плита задержит лишь одно из ста миллионов нейтрино. Наблюдение реакции, вызванной нейтрино, стало возможным только после создания ядерных реакторов (см. Ядерные реакции). В результате β-распада осколков деления урана испускаются антинейтрино в количестве примерно 6 частиц на 1 деление. Поток антинейтрино от мощного реактора достигает 1013 частиц на 1 см2 в 1 с, так что даже при малой вероятности можно дождаться реакции, вызванной антинейтрино. Первым прямым наблюдением нейтрино считается реакция ν̃e + р → n + е+ зарегистрированная Ф. Райнесом и К. Коуэном в 1953 г., в опытах на реакторе в Ханфорде (США) (ν̃e — антинейтрино, р — протон, n — нейтрон, е+ — позитрон) .
Как и в случае заряженных лептонов, нейтрино не тождественно своей античастице. Проявляется это в разных свойствах нейтрино, рожденных в различных условиях. Так, нейтрино, образующееся в паре с электроном (е-) при β-распаде нейтрона, n → р + е- + ν̃e, может вызвать обратную реакцию: ν̃e + p → n + е+, а нейтрино, появившееся на свет в паре с позитроном в процессе β-распада протона внутри ядра: p → n + е+ + νe, такую реакцию не вызывает. На этом свойстве были основаны опыты, доказавшие в середине 50-х гг. различие нейтрино νe и антинейтрино ν̃e. Аналогичным способом было доказано, что нейтрино, рождающиеся в паре с мюонами (μ-, μ+), отличны от электронных нейтрино. Всего существуют, таким образом, следующие виды нейтрино: νe, ν̃e, νμ, ν̃μ, ντ, ν̃τ. Последняя пара нейтрино связана с недавно открытым тяжелым тау-лептоном (τ-лептоном).
На вопрос, какими физическими причинами вызвано различие свойств разных типов нейтрино, полного ответа в науке пока не дано. Введенные для описания этих различий отдельные типы лептонных зарядов (см. Лептоны) до сих пор еще не имеют ясного физического объяснения. Более очевидны причины различий нейтрино иантинейтрино одного типа. Как и заряженные лептоны, нейтрино имеет спин, равный 1/2. Из квантовой механики следует, что такие частицы могут находиться в двух состояниях поляризации со спином, направленным вдоль или против их импульсов. По каким-то причинам наблюдавшиеся до сих пор нейтрино всегда имели спин, направленный против их импульса. Спин антинейтрино, наоборот, всегда параллелен их импульсу. Таким образом, нейтрино отличается от антинейтрино не только знаком лептонного заряда, но и своей спиральностью (проекцией спина на направление импульса). С этим свойством нейтрино связано нарушение зеркальной симметрии в слабых процессах с испусканием нейтрино (см. Четность).
Представляет большой интерес вопрос о количестве разных типов нейтрино. Имеются только оценки на основе экспериментальных астрофизических данных, поскольку число видов нейтрино связано с относительным содержанием гелия во Вселенной (см. Астрофизика). Оказывается, это число не слишком велико: примерно 4—6. Таким образом, не исключено, что уже открыты почти все виды нейтрино. Окончательный ответ на этот вопрос, видимо, будет получен в будущих опытах на ускорителях.
Масса покоя нейтрино обычно считается равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нет серьезных оснований, ни теоретических, ни экспериментальных. В результате экспериментов было получено, что m(νe) ~< 30 эВ/с2, m(νμ) ~< 0,5 МэВ/с2, m(ντ) ~< 250 МэВ/с2. В 1980 г. ученые Института экспериментальной и теоретической физики сообщили, что по их измерениям масса покоя нейтрино ν̃e с вероятностью 99% лежит в пределах от 14 до 46 эВ/с2. Так ли это в действительности, покажут дальнейшие эксперименты.
Нейтрино — столь же распространенная частица, как и фотон. Нейтрино образуются в слабых распадах ядер и элементарных частиц, а последние в свою очередь рождаются при столкновениях протонов космических лучей с частицами атмосферы и межзвездного газа. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результате происходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино в изобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространство заполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной; этот газ аналогичен реликтовому излучению (см. Фотон, Астрофизика). Реликтовые нейтрино практически невозможно наблюдать, хотя их содержится примерно 150 частиц каждого вида в 1 см3.
Последние годы отмечены бурным развитием нейтринной физики. Большую информацию дает изучение взаимодействий нейтрино с элементарными частицами. Так, наблюдение реакции ν̃μ + е- → ν̃μ + е- означало открытие нового вида слабых взаимодействий, предсказанных объединенной теорией Глэшоу, Вайн-берга и Салама (см. Единство сил природы). Особый интерес представляет изучение процессов взаимодействия нейтрино высоких энергий с адронами, где нейтринные пучки играют роль микроскопа, просвечивающего частицы и дающего сведения об их структуре. Все эти результаты были получены в опытах на ускорителях, в которых использовались мощные потоки нейтрино высоких энергий и огромные современные экспериментальные установки для регистрации нейтринных взаимодействий с веществом.
Начинает развиваться нейтринная астрономия, изучающая нейтринное излучение внеземных источников с целью получения сведений о происходящих в космосе процессах. В СССР в районе Эльбруса (долина реки Баксан) и в соляных шахтах Артемовска работают нейтринные обсерватории Института ядерных исследований. Баксанский нейтринный телескоп расположен под склоном горы на высоте 1700 м над уровнем моря и на расстоянии 550 м от начала штольни. Телескоп представляет собой четырехэтажное здание размером 16X16X11 м и состоит из четырех вертикальных и четырех горизонтальных плоскостей, покрытых сцинтилляционными детекторами (см. Детекторы ядерных излучений). Всего в телескопе 3120 детекторов, а полный вес сцинтиллятора — 330 т. Телескоп «ловит» мюоны, которые образуются при взаимодействии нейтрино с веществом, расположенным вокруг установки. С его помощью ведутся поиски нейтринных вспышек от коллапсирующих и сверхновых звезд, поиски распада протона, магнитных монополей и другие исследования.
Нейтрино — единственный вид излучения, который приходит на Землю из недр Солнца и звезд и несет о них ценную информацию.
