Из жизни нейтрино

Нейтрино — разновидность элементарных частиц, младшее поколение лептонов. Старшее поколение составляют электрон, мюон и тау-лептон, два последних — короткоживущие: возникающие на короткое время при превращениях других частиц. Считается, что лептоны в отличие от адронов не состоят из каких-то иных частиц. Найдены нейтрино трех ароматов — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Каждое нейтрино имеет античастицу, однако, поскольку электрическим зарядом оно не обладает, для их различения было введено лептонное число, для каждого аромата — свое. Нейтрино входит в число фермионов (то есть в одном состоянии не может быть более одной частицы) и имеет спин 1/2. Нейтрино участвует в гравитационном и слабом взаимодействиях с веществом. Поскольку первое очень мало, а второе проявляется лишь на очень маленьких расстояниях, нейтрино легко пролетают через космические объемы вещества.

Самая главная загадка нейтрино — обладают ли они массами. Долгое время считалось, что масса нейтрино равна нулю, и для описания этой частицы была предложена теория двухкомпонентного (или продольного) нейтрино Ландау, Ли — Янга и Салама. Согласно ей, нейтрино — это продольный, то есть всегда вращающийся влево или вправо, винт (это самая простая аналогия, которую смогли придумать физики для описания явления с учетом того, что спин — достаточно абстрактное квантовое число). Вращения определяют по тому, куда направлен спин частицы, — по ее движению или в обратную сторону.

Экспериментально было доказано, что нейтрино — левые частицы. Антинейтрино — правые частицы. Правого нейтрино либо нет в природе, либо оно не участвует в слабых взаимодействиях, то есть заметить его нельзя. Таким образом, у нас есть только два состояния, а не четыре, как это было бы для настоящего винта (винт левый, винт правый, антивинт левый, антивинт правый). Если у нейтрино есть масса, эта простая аналогия перестает работать: согласно теории относительности, массивная частица движется со скоростью, меньше скорости света. Значит, гипотетический наблюдатель может всегда обогнать какое-то нейтрино, и тогда он увидит вращения в другую сторону.

Масла в огонь добавляет и специфика Стандартной модели, в которой частицы лишены массы как таковой. Масса возникает при взаимодействии с неким полем — полем Хиггса. Впрочем, и заряд возникает не сам по себе, а вследствие взаимодействия с полем. У нейтрино — с полем слабого взаимодействия, олицетворяемого его тремя бозонами. Так в уравнениях для описания этих частиц возникает два, в общем-то независимых сомножителя, связанных с полем, формирующим заряды, и с полем, отвечающим за массу.

«Осцилляции нейтрино могут иметь место, если существует некоторое (очень слабое) взаимодействие, которое нарушает сохранение лептонных зарядов или смешивает различные нейтрино между собой», — писал Понтекорво в 1976 году. «Теперь мы знаем, что среди бозонов есть "гибридные" частицы, то есть бозоны с не строго сохраняющимся зарядом. ...Если существуют такие электрически нейтральные "гибриды" среди фермионов, то мы вправе ожидать, что они не описываются стационарными состояниями и осциллируют, переходя друг в друга. Такие частицы являются суперпозицией частиц с определенными (различными) массами, которые описываются стационарными состояниями и являются истинно нейтральными (или майорановскими) фермионами», — пишет он же в 1983-м. Собственно, в этих двух предложениях и заключена теория осцилляций.

Согласно ей, нейтрино летит в пространстве как суперпозиция массивных состояний незаряженных частиц, которые двигаются с разными скоростями, отчего то одна, то другая компонента оказывается доминирующей. Аромат же фактически приобретается в момент столкновения с веществом. Складывающих нейтрино состояний может быть и три, и шесть: второе число получается, если у трех известных ароматов нейтрино имеются свои стерильные партнеры. При этом может произойти так, что именно невидимые стерильные партнеры и обладают нормальной, то есть большой, массой. Тогда нейтрино перестает быть экзотикой среди других элементарных частиц: его кажущаяся малая масса — лишь следствие того, что мы не все знаем.

Из-за введения двух наборов нейтрино: тех, что имеют аромат, который фиксируют в эксперименте благодаря слабому взаимодействию с веществом, и тех, чьи массы стоят в формулах, — такие построения непросты для понимания, но это именно то, что могут сейчас предложить физики.