Нейтрино

Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — общее название нейтральных фундаментальных частиц[4] с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов. В настоящее время известно три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы.

Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, и поэтому имеют колоссальную длину пробега в самых разных веществах: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около ста св. лет), а практически все типы звёзд прозрачны для нейтрино. Каждую секунду через площадку на Земле площадью в 1 см² проходит около 6⋅1010 нейтрино, испущенных Солнцем[5], однако их влияние на вещество практически никак не ощущается. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями[6].

Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике 2015 года «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу»[7][8].

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

Различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга — это так называемые нейтринные осцилляцииПерейти к разделу «#Дефицит солнечных нейтрино»; считается, что это происходит из-за того, что нейтрино обладают ненулевой массой[9].

В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, показано, что нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной[10].

Существуют теоретические предпосылки, предсказывающие существование четвёртого типа нейтрино — стерильного нейтрино. Однозначного экспериментального подтверждения их существования (например, в проектах MiniBooNE (англ.), LSND (англ.)) пока нет[11].

Неизвестно, является ли нейтрино античастицей самой себе (см. майорановский фермион)[12][11].

Неизвестно, нарушается ли CP-инвариантность при нейтринных осцилляциях[11].

Нейтрино имеют ненулевую массу, но эта масса крайне мала. Факт наличия у нейтрино массы выходит за рамки Стандартной модели и приводит к необходимости её расширения[13]. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ[14][15]. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7⋅10−3 эВ².

Информация о точном значении массы нейтрино важна для объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

Однако, как сказано выше, у нейтрино ненулевая масса покоя. Поэтому теория является лишь первым приближением с нулевой массой покоя.

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов XX века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр энергий альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы (в качестве объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в бета-распаде) выдвинул 4 декабря 1930 г. Вольфганг Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

«Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».

Паули назвал предложенную им частицу «нейтрон». Когда Джеймс Чедвик обнаружил гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году, то назвал её нейтроном. В результате этого в физике элементарных частиц, этим термином называли две разные частицы. Энрико Ферми, разработавший теорию бета-распада, ввел термин «нейтрино» в 1934 году, чтобы разрешить путаницу. Слово нейтрино, с итальянского переводится как «нейтрончик».[19]

На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.

Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году командой под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса.[20][21]

Нейтрино изучается в десятках лабораторий мира (см. неполный список экспериментов в физике нейтрино)[11].

Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики.

Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую термоядерную активность (а, значит, и температуру) в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино)[22].

Сегодня понятно, что правильным, скорее всего, является второй путь, то есть различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга; это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино[23] и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино[24].

Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в которых были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов[источник не указан 2770 дней] и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»).

22 сентября 2011 года коллаборация OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино (на 0,00248 %).[25][26][27] Нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН, Швейцария) якобы прибывали к детектору (находящемуся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Гран-Сассо, Италия) на 61±10 наносекунд раньше расчётного времени; это значение получено после усреднения по 16 тыс. нейтринных событий в детекторе за три года. Физики обратились к своим коллегам с просьбой проверить результаты в подобных экспериментах MINOS (лаборатория Fermilab возле Чикаго) и T2K (Япония).

Менее чем за месяц в архиве препринтов появилось около 90 статей, предлагающих возможные объяснения зарегистрированного эффекта[28].

23 февраля 2012 года коллаборация OPERA сообщила об обнаружении двух ранее неучтённых эффектов, которые могли иметь влияние на процесс измерения времени полёта нейтрино. Для проверки степени влияния данных эффектов на результаты измерений было решено провести новые эксперименты с нейтринными пучками[29][30].
Проведённые в ноябре-декабре 2011 года независимые измерения в той же лаборатории (эксперимент ICARUS) сверхсветовых скоростей нейтрино не обнаружили[31].

В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стала техническая ошибка (плохо вставленный разъём оптического кабеля, что приводило к задержке в часах на 73 наносекунды)[32].

В 2017 году экспериментально обнаружено упругое когерентное рассеяние нейтрино. Используя этот эффект, можно создавать небольшие переносные детекторы нейтринного излучения[33][34].

Исследования геонейтрино позволяют найти залежи радиоактивных элементов.

Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Нейтрино несут важную информацию о ранних стадиях расширения Вселенной[35]. Кроме того, известно, что звёзды, кроме света, излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звёздной эволюции за счёт нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности — энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать ещё более удалённые астрономические объекты[36].

Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).

Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи (нейтринная связь), что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю[37].

Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли[38], могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли[39].