Знаки питання у фізиці і таємниче нейтрино

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Незважаючи на свою ефемерність, нейтрино воістину всюдисуще. Воно завжди лине зі швидкістю світла, володіючи приголомшливою здатністю проникнення: чавунна плита, прокладена від Землі до Сатурна, для нейтрино так само прозора, як чисте повітря для сонячного променя. З глибокої товщі гігантських зірок, що міцно замикають всі інші частинки, вільно вириваються нейтрино і відлітають в простір, несучи з собою енергію. З нашого Сонця, невидимо і нечутно, але з невблаганною сталістю йде з нейтрино до 8 відсотків випромінюваної енергії. Навіть вночі потік нейтрино приходить від прихованого за горизонтом Сонця, легко пронизуючи товщу Землі.

Цей потік несе в 40 тисяч разів більше енергії, ніж місячне світло, але ніхто ніколи не бачив його, і жодна людина на Землі не знає, куди йде ця енергія і що з нею відбувається. Можливо, нейтрино і є той чарівний ключ до найпотаємніших таємниць природи – до законів будови і управління Всесвіту, який давно шукають фізики.

Чим відрізняються один від одного ці два види нейтрино, крім способу народження? Відповідь на це питання могла би пролити світло і на загадку мю-мезона, який абсолютно в усьому подібний до електронів, але має приблизно в 200 разів більшу масу. Чому? Яка його роль? Може бути, природа намагається розповісти за допомогою мю-мезона щось важливе, але поки не вдається зрозуміти сенс повідомлення?

Як бачите, в цьому абзаці занадто багато знаків питання, Для відповіді на них знову-таки потрібен різкий стрибок у збільшенні енергії прискорювачів. Чим більше енергія взаємодіючих частинок, тим менші відстані можна промацати, тим більше «прозорими» стають частинки. Різке підвищення енергії могло б, нарешті, стерти деякі знаки питання в проблемі слабких взаємодій.

Кожне поле має свій квант – переносник взаємодії. У сильних взаємодіях це пі-мезон, у електромагнітних – гамма-квант. Припускають, що слабкі взаємодії теж мають свій квант, названий проміжним бозоном. Виявлення його значно полегшило б побудову теорії слабких взаємодій. Проміжний бозон повинен з’являтися при народженні нейтрино, але, не дивлячись на старанні пошуки, поки не виявлений. Складні експерименти, виконані в ЦЕРНі, показали, що якщо проміжний бозон існує, то він дуже важкий: його маса, принаймні, в півтора рази більша за масу нуклонів. Для виявлення проміжного бозона потрібна висока енергія.

Щоб помітно збільшити енергію нейтрино, фізики запропонували створити на базі ядерного реактора (з літієм як поглинач нейтронів) імпульсний нейтринний генератор. Такий генератор дозволив би сконцентрувати на невеликих ділянках колосальні потоки нейтрино. За одну секунду через кожен квадратний сантиметр вимірювальної апаратури проходило б 10-15 нейтрино.

Американські фізики вирішили обрати інший шлях – зменшити фон перешкод, не збільшуючи потік нейтрино. Для цього, на їхню думку, можна використовувати звичайний потужний реактор, забезпечивши його дуже чутливими приладами. Здійснення тих і інших пропозицій дозволить в 1000 разів підсилити позитивний ефект взаємодії нейтрино з електронами. І, може бути, нарешті проясниться природа цих загадкових частинок, а також слабких взаємодій.

Автори: Олена Кнор і Борис Коновалов.