ПОЙМАНА НЕУЛОВИМАЯ ЧАСТИЦА - ТАУ-НЕЙТРИНО
Г. НИКОЛАЕВ
СТАЛА ЛИ ЯСНЕЕ СХЕМА СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ, СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МИРОЗДАНИЕ?
В уходящем году в научном мире свершились два события, сулящие переворот. Первое. Расшифрован геном человека, своего рода карта размещения генов в наследствен ном материале. Открыт путь к предупреждению болезней и дефектов развития человека еще в материнской утробе.
И второе. Наука поняла структуру материи. 25 лет назад было теоретически доказано, что в основе всего Мироздания лежат только двенадцать частиц. В 2000 году открыта двенадцатая, последняя по счету, - тау-нейтрино.
Физики лаборатории имени Ферми (США, близ Чикаго) уже в который раз пытались на ускорителе элементарных частиц получить тау-нейтрино - частицу, которая, по убеждению теоретиков, должна существовать. И тем не менее некоторые исследователи сомневались: частица абсолютно неуловима, может быть, ее не существует вовсе? И вот наконец в апреле 1997 года фотоэмульсия запечатлела «прекрасный след», как писали потом об этом сами физики, хотя речь идет о миллиметровом штришке, почти затерявшемся, подобно иголке в стоге сена, в миллионах следов, оставленных другими частицами.
Прошли годы, прежде чем ученые окончательно убедились в том, что им в сеть попалось тау-нейтрино - частица, последняя в той дюжине, которая была определена физиками-теоретиками как набор основных элементов материи. Только эти двенадцать частиц представляют строительный материал всего Мироздания.
С электроном и его двумя родственниками - мюоном и тау-лептоном - физики знакомы уже десятилетия. Комплекс, объединяющий все шесть кварков, из которых сложены атомные ядра, был определен пять лет назад. Две (из трех) разновидности нейтрино нашлись тоже давно, лишь тау-нейтрино не хватало в наличии, хотя теоретически, на бумаге, ее существование было доказано.
Однако у нейтрино есть особенность, которой не обладают другие частицы. Те из них, что имеют электричес кий заряд, можно отклонить магнитным полем, а толща бетона тормозит частицы, обладающие большой массой. Нейтрино же преодолевает все преграды, не претерпевая изменений. «Это частицы без свойств», - определил нейтрино лауреат Нобелевской премии по физике 1987 года Леон Ледерман.
Только если удастся направить несчетное число этих частиц (буквально миллиарды) в детектор, может появиться шанс, что он отметит попадание одной из них.
Как раз такое и удалось сотрудникам лаборатории имени Ферми. Открытие положило фундамент под так называемую стандартную модель - чрезвычайно удачное сооружение из формул, которое 25 лет назад предложили физики-теоретики. С помощью немногих уравнений им удалось объяснить все известные феномены физики элементарных частиц. Последовал вывод, который, как луч света, разогнал туман, окутывавший физику частиц до той поры, когда ученым не удавалось систематизировать мир частиц - ускорители в первых экспериментах рождали подчас их слишком много.
Например, в газетном отчете о Международной конференции, состоявшейся в 1959 году и посвященной экспериментам с частицами высокой энергии, было написано: «Наступление на тайны микромира ныне дает столь многочисленные трофеи, что ради экономии времени все представленные доклады, подобно золотоносному песку, были «промыты» виднейшими учеными и только концентрат предложен аудитории».
Появление стандартной модели позволило установить, что вся материя состоит всего из двенадцати частиц. Одиннадцать были известны и обнаружены, двенадцатую, последнюю, предсказанную теоретичес ки, наконец недавно засекли в лаборатории имени Ферми.
«Стало бы невероятным потрясением, - считает физик из университета в Санта-Барбаре (США) Д. Кальдвелл, - если бы тау-нейтрино не удалось обнаружить».
«Естественно, и среди нас были сомневающиеся, - говорит участник эксперимента с тау-нейтрино Б. Баллер. - Они твердили: зачем обязательно искать тау-нейтрино? Мы же знаем, что она должна существовать». Однако Баллера такая позиция не устраивала: «Может ли наука признавать существующими вещи, в которых она сама не удостоверилась?».
Но в лаборатории имени Ферми есть и горячие головы, готовые найти изъяны в неоспоримой до сих пор стандартной модели. Они считают, что она не может быть последним ответом на все вопросы, что физика, возможно, подошла к той границе, за которой эта модель не действует. Прежде всего, почему в природе известны именно четыре взаимодействия и почему одно из них - гравитационное - не встраивается в формулу, объединяющую три других? Почему некоторые частицы вообще не имеют массы? Почему во Вселенной есть материя и нет антиматерии? На все эти вопросы стандартная модель не отвечает. Физики убеждены, что когда-нибудь они наткнутся на границы нынешней теории, и тогда окажутся перед новой, более глубокой правдой. Но все же не окончательной.
В последние годы многие исследователи надеются с помощью новых находок найти трещины в формулах теоретиков. И указателем пути в мир по ту сторону стандартной модели им могли бы служить именно нейтрино. Они во много раз многочисленнее, чем все остальные «жители» микромира. Их не меньше, чем фотонов, ими полна Вселенная, но планеты и звезды прозрачны для них, как стекло для света.
В пятидесятых годах началась эра физики нейтрино. Долгое время экспериментаторы были рады, когда им удавалось уловить знак присутствия этих космических невидимок. У некоторых ученых даже появилась надежда, что нейтрино смогут перевернуть всю науку. Такие различные области нашего знания, как космология, ядерная физика и астрофизика, геофизика и теория элементарных частиц, неожиданно заинтересовались жизнью этих неуловимых созданий микромира.
В 1991 году на Северном Кавказе начала действовать Баксанская нейтринная обсерватория с галлий-германиевым детектором. Несколько лет назад в Японии заработал детектор нейтрино «Супер-Камиоканде» - огромный бак с водой, находящийся глубоко под землей.
Свыше 13 тысяч фотоприемников на его стенках регистрируют вспышки от следов частиц - продуктов реакции нейтрино с веществом. В 1998 году на этом детекторе были обнаружены оцилляции нейтрино - превращение одного их «сорта» в другой. Мюонное нейтрино способно превращаться в тау-нейтрино, электронное - в мюонное. Но такое может произойти, только если масса нейтрино хотя бы одного сорта не равна нулю (см. «Наука и жизнь» № 12, 1998 г.).
Сегодня астрофизики собираются опустить в ледяной щит Антарктики на километровую глубину свои приборы и регистрировать нейтрино, прилетевшие из космоса. Геофизики рассчитывают получить новые сведения о внутреннем строении Земли, изучая число нейтрино, возникающее при радиоактивном распаде.
Готовятся к новым экспериментам с нейтрино и ученые, занятые физикой элементарных частиц. «Поведение нейтрино показывает нам, что оно не укладывается в теорию». Эти слова принадлежат доктору Д. Харрис, сотруднице лаборатории имени Ферми, которая участвует вместе с 250 коллегами в подготовке эксперимента, получившего название «Минос».
Для физиков процесс осцилляций имеет колоссальное значение, поскольку он не укладывается в стандартную модель. Значит, уже достигнута граница теории, и нужно новое осмысление происходящего.
Чтобы лучше понять, как эти три типа частиц превращаются друг в друга, в рамках эксперимента «Минос» предполагается пучок нейтрино направить в земной шар по хорде так, чтобы в 730 километрах от лаборатории он попал на приемники в старой шахте.
Этой же цели должен служить и другой эксперимент. Нейтрино высокой энергии будут обстреливать бак с минеральным маслом. Если на пути от ускорителя до бака некоторые частицы исчезнут, это послужит доказатель ством того, что они превратились в так называемые стерильные нейтрино. Существование этих экзотических частиц, вообще не взаимодействующих с веществом, а потому считавшихся неуловимыми, предсказывает ряд теорий. Если такое случится, то мир физики потрясет очередная сенсация.
По материалам журнала «Der Spiegel» (Германия).
Читайте в любое время
